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middot中小企業部品 素材共同技術開發事業

最終報告書

반도체 공정기술을 이용한 백금박막 온도센서

양산기술 개발

2002 8 30

주 관 기 업 이노스텍 주( )

공동개발기업 주 씨에스이엔지( )

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제 출 문

중소기업청장 귀하

본 보고서를 반도체 공정기술을 이용한 백금박막온도 센서 양산기술 개발 에 관[ ]

한 중소기업부품 소재공동기술개발사업 개발기간 년 월 일 년 월( 2001 7 1 ~2002 6ㆍ

일 의 최종보고서로 제출합니다30 )

년 월 일2002 8 30

주 관 기 업 이 노 스 텍 주( )

과제책임자 이 동 수

공동개발기업 주 씨에스이엔지 직인( ) ( )

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요 약 서 초 록( )

과 제 명 반도체 공정기술을 이용한 백금박막 온도센서 양산기술 개발

주 관 기 업 이 노 스 텍 주( )주관기업

과제책임자이 동 수

개 발 기 간 년 월 일 년 월 일 개월20011 7 1 ~ 2002 6 30 (12 )

총개발사업비

천원( )

정부출연금 238002총개발

사업비398002기업

부담금

현금 45000

현물 115000

공동개발기업명 주 씨에스이엔지( )

주요기술용어

백금박막 온도센서 스퍼터링 온도선형계수 식각 반도체 공

정 기판Si (Platinum thin film temperature sensor Sputtering

TCR Etching Semiconductor processing Si wafer)

기술개발 목표1

실리콘 기판을 이용한 온도선형계수 385X10-3 이상의 온도센서 양산 기술

개발 표준저항 ( (0degC) 100 500 1000 )Ω Ω Ω

기술개발의 목적 및 중요성2

를 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 가정용 및 공업용 온도센Si wafer

서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 경향에 따라 고성능 백輕薄短小化

금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한 산업계의 필요성 증대에도

불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전부터 추진되어 왔으나 산업화10

에 실패하였다 가장 많은 연구가 진행된 분야인 알루미나기판을 사용한 백금박

막 온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술개발10 know-how

가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당 과제에서는 이

러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을 위하여 기존에 사용되지 않는 기판을Si

사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 Si

실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 비하여 열전도가 우수하여 응답특성이

향상될 수 있으며 백금박막 증착전의 기판 식각은 금속박막의 식각에 비하여 선

폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 점과 소자 소형화가 가능

하다는 점이다

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기술개발의 내용 및 범위3

본 과제를 통해 이노스텍 주 에서 개발한 백금 박막 미세구조 조절기술과 반도체( )

단위공정 기술 식각기술 이용하여 초소형 백금박막 온도센서 소자의 양산기술을( )

개발하였다 산업공정 자동화에 핵심소자인 온도센서 양산기술로 SiO2 에칭을 통

한 상감법 패턴 제조방법을 택하였다 온도센서에 적합한 거대 입성장 백금박막

증착기술을 개발하였으며 미세구조 조절기술 기존 제품에 비하여 소자크기를 줄( )

일 수 있는 표준저항 인 고정밀 온도 센서를 개발하였다100 1000 ohm

기술개발 결과4

특허 출원 국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법ldquo rdquo

출원일 년 월 일 출원번호 2002 2 22 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법ldquo rdquo

출원일 년 월 일 출원번호 호 2001 7 30 09918296

일본특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법ldquo rdquo

출원일 년 월 일 출원번호 2001 7 31 2001-231801

기대효과5

산업계에 사용되고 있는 백금온도센서는 현재 전량 수입에 의존하고 있다 기존

제품은 권선형이나 알루미나 기판 위에 증착된 것으로 기판 가공 및 백금패턴

형성에 많은 비용이 소모된다 본 과제에서 제안된 기술을 이용한 양산화 공정

개발에 성공할 경우 기존 제품에 비하여 우수한 응답특성 및 소형화 및 가격 경

쟁력을 갖춘 백금박막 온도센서로 세계시장에 진출할 수 있다 또한 본 과제에서

획득된 기술은 박막형 나 온도보정용 생산 기술에도 활용될 수 있을heater wafer

것으로 생각된다

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목 차

제 장 서 론1

제 절 온도센서의 종류1

제 절 백금저항 온도센서2

제 절 백금저항 온도센서 이론3

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적4

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발목표5

제 장 기술개발 내용과 방법2

제 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목1

온도선형계수1

표준저항2

선폭3

소자크기4

온도안정성5

제 절 백금박막 증착공정의 개발2

박막증착1

증착박막의 열리2

박막의 물성 측정3

두께 및 비저항 측정3-1

미세구조 관찰3-2

결정성 분석3-3

첨가가스의 탈착거동3-4

제 절 패턴 제작 공정의 개발3

제 절 소자 평가4

제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금박막의 필요성1

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거대입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

미세구조의 변화2-2

두께에 따른 변화2-3 TCR

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

리드선 부착3

패드보호막 부착4

절연막 코팅5

제작된 백금박막 온도센서6

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항특성2-1

특성2-2 Hysterisis

시정수 특성2-3

자기발열 특성2-4

제 장 결론 및 기대효과4

제 장 참고 문헌5

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제 장 서 론1

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제 장 서 론1

제 절 온도센서의 종류1

온도센서는 크게 접촉식과 비접촉식으로 나뉠 수 있으며 비접촉식 센서는 주로 측

정하고자하는 부위에서 발생하는 열파장을 측정하는 방식으로 주로 산업 또는 연

구의 목적으로 이용되어 진다 일반적으로 산업 및 일상생활에서 이용되는 것은 접

촉식 온도 센서로 이에 해당하는 것으로는 열전대식 써미스터(Thermocouple)

및 측온저항체 온도센(Thermistor) (Resistance temperature detector RTD) IC

서 등이 있다 표 은 접촉식 온도센서의 종류에 따른 특성을 나타내는 표이다 1

표 접촉식 온도센서 종류에 따른 제반 특성 1

RTD

백금저항온도센서( )Thermocouple Thermistor

Temperature

Range-200 ~850

-190 ~

18210 ~ 300

Accuracy plusmn0001degF to 01degF plusmn1degF to 10degF High

Response Time Moderate Fast Fast

StabilityStable over long periods

lt01 error5 yr

Not as stable

1degF erroryrGood stability

Linearity Best Moderate Non-linear

Sensitivity High sensitivity Low sensitivity High sensitivity

접촉식 온도센서의 세계시장 동향을 살펴보면1-2) 년 이후 써모커플시장 규모는95

동결내지는 감소하고 있으며 써미스터는 낮은 성장률을 보이고 있는 반면에 백금저

항온도계의 시장은 접촉식 온도센서 중에서 높은 성장률을 보이고 있다 이는 써모

커플의 경우 사용영역은 넓으나 정확도에 문제가 있고 써어미스터의 경우 자기가열

효과가 크고 외부 충격에 의한 손상의 가능성이 높아 수요가 한정되기 때문으로 생

각된다 반면 백금저항 온도센서는 온도정확성 및 신뢰도가 매우 높고 박막형 소자

개발에 따른 단가 하락 및 소형화가 가능하여 수요가 증가했기 때문으로 생각된다

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제 절 백금저항 온도센서2

는 등과 같은 금속과 함께 의Pt Ru Rh Pd Os Ir platinum group metal (PGM)

하나로 내식성이 강하며 촉매효과가 크고 다른 금속에 비하여 내산화성이 강한 물

질로 알려져 있다3) 또한 온도에 따른 저항변화의 특성이 직선적인 특성을 가지고

있어 온도센서나 로 사용되고 있다heater 4-5) 표 에 백금의 물리적 특성을 정리2

하였다

표 백금의 물리적 성질 2

백금저항 온도센서는 외부의 온도 변화에 따른 백금의 저항 변화를 이용한 방식으

로 현재 실용화되어 있는 온도 센서 중에서 안정도와 감도가 매우 높아 고정밀의

온도 계측이 가능한 센서이다 또한 기준 접점에 대한 보상회로가 불필요하므로 간

단한 부가회로를 이용하여 온도에 대하여 직선적 출력을 얻을 수 있으며 이에 따

라 센서의 신뢰도가 매우 높은 장점을 갖고 있다6-7) 그림 은 상용화되어 있는 백1

금저항 온도센서를 나타내고 있다

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(a) (b) (c)

그림 백금저항 온도센서의 종류 세선가공형 세라믹봉입형 박막형 1 (a) (b) (c)

이제까지 상용화된 백금저항 온도센서는 운모판에 백금선을 감은 운모형 세라믹

튜브내에 백금코일을 넣고 봉입한 세라믹형 및 백금코일을 저융점 유리로 molding

한 유리형이 광범위하게 사용되어 왔다8) 이들 센서는 고순도의 백금선으로 만들어

지기 때문에 기계적 특성 진동 충격 등 이 나쁘며 백금코일제작 및 에 많( ) molding

은 시간이 소요된다 또한 세라믹 봉입형의 경우 센서의 소형화가 어렵고 온도감응

속도가 느리며 생산비가 고가인 단점을 가지고 있다 이러한 단점을 극복하기 위해

최근에는 고도의 박막기술을 이용한 백금박막 온도센서의 개발이 매우 중요하게 되

었다 박막기술을 이용할 경우 온도센서의 소형화 및 신뢰성 향상은 물론이며 생산

비의 절감과 생산성 향상에 따른 경제적 파급효과가 매우 클 것으로 기대되고 있

다 지금까지 개발된 백금박막 온도센서의 경우 접착력과 기판과의 열팽창 계수의

차이에서 발생하는 문제로 인해 기판재료로 알루미나를 주로 사용하여 왔다59-11)

현재 백금박막 온도센서를 상용화한 회사로는 Heraeus Jumo(Germany) Hayashi

등의Denko (Japan) Minco Hycal(USA) Sentek(Taiwan) Xian Diamond(China)

회사가 있다

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제 절 백금저항 온도센서 이론3

에 따르면 금속의 저항은 격자산란과 결함에 의한 산란 두가지Matthiessens rule

형태의 산술합으로 나타낼 수 있으며 다음의 식으로 표현된다

p = pi(T) + p

양자역학에 의하면 금속전도체 내에서의 전기전도는 전자에 의한 것임을 알 수 있

다12-14) 이상적인 결정체 격자진동도 존재하지 않는 상태 금속에서의 전도는 에( )

너지 손실 저항 없이 이루어질 수 있다 그러나 실제 금속에서는 격자진동과 결함( )

구조결함 불순물 등 이 존재하며 이들이 전기전도를 방해하는 저항으로 작용한다( )

전도전자가 충돌하기 전까지 진행한 평균길이를 전자의 평균자유행로라 하며(mean

라 하며 일반적으로 평균자유행로가 길수록 전기저항율은 작아짐을 알free path)

수 있다 표 은 금속의 전기저항율과 평균자유행로를 나타내는 표이다 3

표 금속에서의 평균자유행로 저항율 의 값 3 Debye temp 12-14)

격자진동 에 의한 저항은(phonon) pi 로 결함에 의한 저항은 로 나타낼 수 있(T) p

고 재료의 전체 저항율은 위의 로 나타낼 수 있다matthiessenrsquos rule

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에서Matthiessens rule pi 는 과 전도전자의 충돌에 의한 저항율의 변화(T) phonon

를 나타내는 것이며 저항온도계의 온도 저항 특성을 결정하는 항이다 이론 Debye

에12) 의하면 pi 는 온도(T) Debye ( = hvθ max 를 기준으로 온도의존성이 다음과 같k)

이 나타나게 된다

pi(T) Tcong n for Tlt n = 5θ

pi(T) T for T gtθcong

표 에 여러 재료의 온도가 나타나 있다 온도 이상의 영역에서3 Debye Debye

에 의한 저항율의 온도의존성은 차 함수에 비례하는 것으로 생각할 수 있phonon 1

다 온도에 따라 저항율이 일정하기 위해서는 의 항이 온도 matthiessenrsquos rule p

의 존성이 없어야 하지만 실제로 Po = Po 값으로 온도의존성을 가지며+ (Tp)

여기에 영향을 미치는 인자는 크게 다음과 같이 나눌 수 있다18)

화학적 요인 조성 불순물 산화 기체의 흡수 등( )

물리적요인 격자결함 구조결함 공극 격자간원자 전위 적층결함 입계 등( )

기계적요인 외력 변형 변위 등( ) (stress) (strain)

온도센서 제조시 온도에 따른 의 제거가 소자의 정밀도 안정성 등을 결정하(Tp)

는 요인이 된다 조성의 경우 타켓의 순도에 의해 결정되므로 공정조절을 통해 조

절할 수는 없지만 가능하면 백금의 증착시에 기초 진공을 낮추어 주는 것이 좋다

(10-6 이하 표 는 불순물 농도에 따른 온도저항변화율을 나타내는 표이다Torr ) 4

표 불순물 농도에 따른 온도저항율 변화 4 18)

불순물 n(times10α -6)(ppm)

Ag 023

Rh 019

Si 027

Ru 018

Fe 078

Au 006

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제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적4

센서에 대한 연구 개발은 반도체 메모리 및 에너지 산업과 더불어 년대의 핵2000

심 첨단 산업의 하나로서 년대 이후 여러 분야에서 지속적으로 진행되어 오1980

고 있다 특히 초창기의 벌크 또는 후막식 센서에서 최근에는 고감도 및 대량 생산

이 용이한 박막형 센서에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다 박막형 센서는

박막의 특징인 소형화 및 정밀화가 가능하여 그 응용 범위가 제한이 없을 정도로

매우 유망한 분야이다 백금저항 온도센서는 그림 에 나타난 바와 같이 자동차 2

산업체 공정제어용 뿐만 아니라 백색가전 등 일상생활 전 분야에 폭넓게 이용되고

있으며 그 규모가 년 현재 전 세계적으로 약 억 달러에 이르렀으며 그 규모2002 10

가 성장하고 있는 매우 유망한 분야이다 특히 고성능 고정밀도를 갖는 백금박막

온도 센서 시장 규모의 증가는 써미스터나 써머커플의 시장 성장 속도에 비하여 매

무 높은 것으로 알려져 있다1-2)

그림 백금온도센서의 응용분야 2 15)

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기존의 백금박막 온도센서 소자는 접착력 등의 문제로 알루미나 기판을 사용하여

제작되고 있다9-1115) 알루미나 기판 위에 원하는 금속박막을 증착한 후 일정한 저

항값을 얻기 위하여 금속박막을 레이저 트리밍 습식 식각 그리고 플라즈마 에칭과

같은 건식 식각을 통해 패턴을 형성하게 된다 알루미나 기판을 사용할 경우 증착

하는 금속박막의 두께가 마이크론 정도의 두께이므로 기판의 표면 거칠기를 정밀하

게 조절하기 위해 기판 표면 가공이 필요하게 된다 또한 표면 가공 후 금속박막의

부착력 증진을 위해 알루미나 기판 표면을 코로나 방전처리를 하기도 한다11) 이러

한 표면가공에는 많은 비용이 소요되어진다 금속박막의 패턴 형성을 위해 사용되

는 레이저 트리밍의 경우 레이저 가공에 의한 소자 열화 문제와 수율 등이 문제시

되며 감광막을 이용한 금속박막의 습식 식각에서는 식각의 진행 정도에 따라 용액

의 농도가 변화하여 식각 속도의 조절에 어려움이 있다 또한 금속 박막의 식각 속

도나 식각 양상에 따라 패턴 선폭이 제한되기도 한다 그림 은 레이저트리밍 이나 3

습식식각 공정을 통하여 제작된 백금 패턴을 보여주고 있다 식각 방법으로 패턴을

제작할 경우에는 가변저항을 만들어주어 패턴 형성 후에 저항을 조절하기도 한

다16) 건식 식각의 경우 비교적 정확하게 패턴을 형성할 수 있으나 금속에 따라서

는 식각된 금속 박막이 에칭 벽면에 달라붙어 정확한 패턴 형성에 어려움이 있으며

고가의 장비를 사용해야하는 단점이 있다17)

레이저 트리밍에 의한 패턴 형성(a)

식각 방법에 의한 패턴 형성(b)

그림 알루미나 기판을 사용한 상용센서의 패턴 형성 방법 3

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기판을 사용할 경우 반도체 공정에 공정이 가능하고 가공 등이 용이하Si in-line

며 산화물 박막을 이용한 기능성 소자와 결합된 복합화 센서 를 제(hybride-sensor)

조할 수 있다는 장점을 가지고 있으나 박막과의 부착력이Pt AI2O3 기판에 비하여

크게 떨어지는 단점을 가지고 있다 SiO2 기판과 박막과의 부착력 증진을 위해pt

서는 산화물과 반응성이 좋은 등을 접착층으로 쓰거나Ti Cr 5) 고온 로 표 Plasma

면처리를 하는 방법이 사용되고 있으나 접착증의 사용은 백금박막의 온도선형 계수

를 저하시키고518) 시간에 따른 경시변화를 유발하며 고온 를 사용하는 경plasma

우에는 가격경쟁력과 수율에 문제가 있다

본 과제에서는 이노스텍이 보유하고 있는 기판 위에 백금증착기술과 미세패턴형Si

성 기술을 이용하여 실리콘 기판 위에 절연층을 형성하고 절연층을 식각한 후 금속

박막을 증착하여 패턴을 형성하는 것으로 다음과 같은 장점을 가지고 있다 기판으

로 기존의 알루미나 대신 실리콘 기판을 사용하여 온도센서로 사용할 경우 기판의

열전도가 커서 센서 소자의 응답특성을 향상시킬 수 있다 SiO2 절연층의 식각은

백금박막의 식각에 비하여 선폭 조절이 용이하고 균일도를 향상시킬 수 있으며 기

존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여 까지 선폭을sub-micron

조절할 수 있어 소자의 크기를 획기적으로 작게 할 수 있다 소자 크기의 감소는

응답특성 뿐만 아니라 생산단가를 낮출 수 있는 장점이 있다 또한 실리콘 기판을

사용할 경우 반도체 칩 내부에 온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시 반도체소자

오동작의 주요원인으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계 하여

해결할 수 있는 장점이 있다 또한 백금 박막이 식각된 Si02 표면 안쪽에 증착됨으

로써 후 공정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하여 내구성

을 증진시킬 수 있다

세계 최고의 반도체 단위 공정기술을 가지고 있는 한국에서 실리콘 기판을 사용 하

여 백금박막 온도센서를 제작할 수 있다면 기존 온도센서 시장으로의 진입 및 시

장 선도가 매우 유망 할 수 있다고 판단된다

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제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표5

최종목표(1) 반도체 공정기술을 이용한 백금박막 온도센서 양산기술 개발

실리콘 기판위에 표준저항 인 온도센서 개발Pt 100 Pt 500 Pt 1000

가 센서용 백금 박막의 증착 및 증착 공정의 최적화 RTD

두께에 따른 온도선형계수 변화(TCR) ㆍ

두께의 균일도는 이내1士ㆍ

미세구조 제어 입자크기에 따른 온도선형 계수 변화 특성( (TCR) )ㆍ

우선배향성에 따른 온도선형계수 변화 특성(TCR) ㆍ

비저항은 이하12 ㆍ μΩ

나 센서용 백금 박막선의 제작을 위한 미세회로 공정의 최적화 RTD

를 제외한 센서소자 크기Pad 22mmㆍ 2 이하

SiOㆍ 2 에칭을 통한 형성 선폭 최대 에서 최소 의 범위를 갖음pattern 100 3

설계된 의 형성에 따른 미세구조 제어patternㆍ

제작된 백금 박막선의 에서의 저항0degC (Rㆍ o 은 선폭 및 길이 또는 공정에 무관하)

게 최대 최소 임1000 100 Ω Ω

제작된 백금 박막선의 온도선형계수 값은 선폭 및 길이 또는 공정에 무관(TCR)ㆍ

하게 정확하게 38510-3 이상 이어야 함

다 소자 평가

및 규격에 따라 센서회로를 설계 제작함KS JIS ㆍ 19-20) 이들 규격에 의하면 제작된

백금 박막선 저항의 양끝에 개의 도선을 접속한 선식 한쪽 끝에 개 다른 한 끝1 2 2

에 개의 토선을 접속한 선식 및 양 끝에 개의 도선을 접속한 선식이 있음1 3 2 4

선식 및 선식은 도선의 저항 효과를 없애기 위한 방식이나 생산성의 저하 우려3 4ㆍ

가 있음 따라서 선식에 의한 회로 구성을 기본으로 선 및 선식을 병행함 2 3 4

선식의 경우 백금 박막선의 저항 값2 (Rㆍ RTD 에 대하여 도선의 저항 값을 충분히)

작게 하여 배 이하 도선의 온도 상승효과를 보상함(100 )

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제작된 백금 박막선의 온도 변화에 따른 선형 저항 변화를 유지하기 위한 본딩ㆍ

패드와 도선 접합 저항의 최소화 접촉 저항은 미만( 01 )Ω

온도 구간에서 안정하게 저항 변화를 감지하는 회로 제작-200degC ~ 500degC ㆍ

고정점 에서의 온도 저항의triple point(0degC)- Indium melting point (15659degC)ㆍ

선형성 평가

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제 장 기술개발 내용과 방법2

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제 장 기술개발 내용과 방법2

제 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목1

표 개발 기술의 평가방법 및 평가항목 5

온도선형계수1

온도선형계수 는 온도센서의 성능을 구별하기 위해 특정온도 구간에서의 평균기(a)

울기로 정의되며 백금의 경우 사이에서의 평균기울기로 정의된다0-100degC 19-20)

DIN22) IEC23) 등 각국의 공업규격에서는 백금측온 저항체의 경우 값으로a

000385degC-1을 규정하고 있다

=(R(100)-R(0))100R(0)α

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표준기급 백금저항온도계의 온도변환이나 공업용 저항온도계의 보정 시에는 저항의

절대 값보다 기준온도 에 대한 상대 저항비 가 중요하게 되며 상대 저항비(0degC) (W)

값으로 온도를 계산하게 된다 본 과제에서는 업계 최초로 실리콘 기판을 사용하여

공업규격에 맞는 온도선형성을 갖는 백금박막 온도센서를 개발하고자 하였다 현재

까지 국내에서 개발된 백금박막 온도센서의 경우 온도선형계수는 38510-3 미

만으로 알려져 있다24) 기판을 사용한 경우 층을 중간층으로 사용할 경우Si MgO

값이TCR 38510-3 이상 됨을 보고한 바 있으나 상용화 되거나 일반화 되지는

못하고 있다25))

표준저항2

현재까지 가장 많이 사용되고 있는 백금박막 온도센서으 에서의 표준저항은I 0

이다 이는 지금까지의 알루미나 기판에 과 같은 방법으로 제100 screen printingΩ

작되는 온도센서 제작기술로는 백금박막의 선폭을 하로 제작하기 어려워 소100 ol

자크기에 제한이 따르기 때문이다 최근 들어 사진식각공정이나 레이저 트리밍 기

술의 발전에 따라 선폭의 감소가 이루어져 의 표준저항을 갖는 소자500 1000Ω Ω

의 상용화가 시작되고 있다 표준저항이 클수록 온도 변화에 따른 저항변화가 커서

온도분해능이 증가하는 장점이 있다 본 과제에서는 실리콘 기판에 산화막을 형성

하고 산화막에칭을 통해 선폭을 조절하므로 선폭의 조절이 까지 가능sub-micron

하여 표준저항을 용이하게 증가시킬 수 있으나 선폭저하에 따른 물성저하 등을 고

려하여 본 과제에서는 우선 표준저항 을 목표로 패턴을 디자인 하였100 1000Ω Ω

다

선폭3

선폭은 크게 두가지 측면에서 중요한 인자가 된다 선폭이 감소하면 아래 식에서

저항값을 증가시킬 수 있어 표준저항을 높이거나 같은 표준저항에서 소자크기를 작

게 할 수 있다

R = p(LA) ----------(a)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

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그러나 선폭이 너무 작아지면 박막의 두께에 의한 효과와 같이 비저항의 감소가 있

을 수 있다5) 본 과제에서는 선폭을 로 변화시켜 본 과제에서 개2 5 10 50

발된 백금박막 증착공정의 적용여부와 온도선형계수를 조사하였다

소자크기4

소자크기는 응답속도와 직접적인 관계를 갖는다 응답속도의 경우 온도센서의 분해

능 안정도 재현성 등과 더불어 온도센서를 평가하는 중요항목 중의 하나이다 일

반적으로 시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된632

다 온도센서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름

속도에 따라 달라지며 다음과 같은 식으로 알려져 있다 826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 열전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정 A

수 값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기뿐만 아니라 기판재료로 열전도가

알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므로 시정(25WmK) (148WmK)

수가 개선될 것으로 생각된다27)

온도안정성5

온도센서 특성중의 하나인 온도안정성은 의 국제규격에 따라 두 가지IEC751 type

으로 정의된다23)

Class A = (015+0002t)士

온도Class B = (030+0003t) t土

- 22 -

대부분의 박막타입의 경우 가 적용되고 있다 본 과제에서 적용된 백금 박class B

막의 경우 상온 증착 후 후열처리를 통해 백금의 입자크기가 의 크기를 갖mm~cm

는 단결정 입자로 구성되어 온도변화에 따른 특성이 매우 양호한hysteresis loop

특성을 가지고 있다 이러한 온도안정성에 영향을 미치는 요인으로는 흡착가스의

영향 백금입자의 입자성장 기판과의 열팽창 계수 차이에서 오는 응력 등이 주요

원인이 된다18) 상기평가항목의 평가 에 맞는 온도센서를 제작하기 위하여 증spec

착공정의 개발 패턴형성공정 개발 및 소자평가등 각각의 항목에 대한 세부내역은

제 절에 나타내었다2

- 23 -

제 절 백금박막 증착공정의 개발2

그림 는 본 과제에 사용된 기의 개략도를 나타내는 그림이다 진공시스4 sputtering

템은 와 로 구성되었으며rotary turbo pump 10-3 까지는 를 사Torr rotary pump

용하고 그 이후는 와 를 사용하여rotary turbo pump 3010-6 까지 반응실의Torr

진공을 유지 할 수 있도록 설계되었다 스퍼터 방식은 하향식이며 기판온도는 SiC

를 이용하여 까지 조절할 수 있다 균일한 증착을 위해 기판의 회전수heater 700

는 으로 조정가능하며 플라즈마 가스는 아르곤을 사용하였다 증착효율을1-20rpm

높이기 위해 타게트 뒷 부위에 영구자석을 설치한 방식을magnetron sputtering

채택하였다 가스압 조절을 위해 사의 사 MKS Baratron gauge Granville-phillips

의 를 사용하였으며 를 이용하여 가스의 유량을 조절vacuum gauge controller MFC

하였다 증착속도와 증착두께는 사의 Sycon Instruments STM-100MF

와 사의 을 이용하여 실측두께와 표시두께를thicknessrate monitor Tencor -stepα

보정하여 측정하였다

그림 본 과제에서 사용된 스퍼터링 시스템의 모식도4

- 24 -

일반적으로 스퍼터링에 사용되는 가스는 타게트 물질과의 반응을 방지하기 위하여

불활성 가스 를 사용한다 금속 타게트와 플라즈마 가스와의 반응을 이(Ar Kr Xe)

용한 에서는 반응가스로reactive sputtering O2를 첨가하기도 한다28) 본 연구에서

는 스퍼터링 가스로 아르곤과 아르곤 산소 가지를 사용하였으며 기판온도는 상온+ 2

으로 고정 시켰다 가스압은 증착 는 증착된 백금 1-22 mTorr power 100-250W

박막의 비저항은 를 이용하여 면저항을 측정한 후 을 이용하4 point probe -stepα

여 측정한 두께를 곱하여 구하였다 기판으로 사용된 실리콘 웨이퍼는 thermal

법으로 의oxidation 15 SiO 2 산화막이 증착된 이다P-type Si(100)

박막증착1

증착은 기판온도 가스압력 증착 뿐만 아니라 챔버의Sputtering power geometry

도 중요한 변수 중의 하나이다 예비 실험결과 아르곤만을 가지고 제작한 온도센서

는 기판과의 부착력이 나쁘고 온도선형성이나 온도저항계수 등 제반 사항이 온도센

서 제작에는 맞지 않은 것으로 판명되었다 또한 본 과제에서 기판과의 열팽창 계

수 차이에서 오는 온도저항계수의 저하를 백금미세구조 제어로 해결하고자 하였다

즉 백금박막의 거대입성장을 유도하여 거대입자로 구성된 온도센서를 제작하였다

거대입성장을 얻기 위한 공정은 기존의 실험결과를 바탕으로 다음과 같은 최적 조

건에서 박막을 증착하였다

표 온도센서 제작을 위한 백금박막의 최적 증착조건6

기판온도 가스비 아르곤 산소( ) 증착압력 증착power 비고

상온 1915(SCCM) 5 mTorr 170W

- 25 -

증착박막의 열처리2

증착된 박막의 열처리는 일반적인 전기로를 사용하였으며 공기중에서 600~1200

영역에서 한 시간 동안 열처리 하였다 열처리 조건에 따른 의 변화에 대한 많 TCR

은 보고가 있으나 본 실험에서는 한 시간으로 고정하였다24-2529) 이는 본 과제에

적용된 거대입성장 백금박막의 경우 시간에 따른 미세구조나 물성 차이를 보이지

않기 때문이었다 또한 백금증착시 산소를 점가하는 경우 백금산화물이 형성되거나

비저항 값이 증가하므로 열처리를 통해 증착 중 첨가된 산소를 박막외부로 확산시

켜야 한다 백금산화물의 경우 반도체 산화물로서 온도저항계수가 음의 값을 갖는

다2430-33) 이러한 산소의 탈착거동을 알아보기 위해 미소열량계를 이용하여 산소의

탈착거동을 관찰하였으며 소광계수의 변화 등을 관찰하였다 소광계수 측정을 위한

박막의 열처리는 진공분위기 에서 써머커플을 기판에 접촉시켜 측정하였(50 mTorr)

다

박막의 물성 측정3

두께 및 비저항 측정3-1

박막의 두께는 사의 을 이용하여 측정하였다 시편에 를 내Tencor -step scratchα

서 박막이 일부를 제거한 후 그 단차를 측정하여 두께를 측정한 후 4-point probe

로 측정한 면저항 값을 곱하여 비저항 값을 얻었다

미세구조 관찰3-2

박막의 입자크기는 이하이므로AS-depo 1000 TEM(Transmission ElectronÅ

관찰을 하였다 슬라이드에 시편을 붙이고 사포를 이용하여 이하Microscopy) 80

까지 연마한 후 하였다 한 시편을 직경 의 에 부착시dimpling dimpling 3 Cu grid

켜 을 하며 이 과정에서 입자충돌에 따른 국부적인 온도상승에 의한 박ion milling

막의 미세구조 변화를 막기 위해 액체질소를 이용하여 냉각하였다 열처리이후에는

를 이용하여 미세구조를 관찰하였다 거대입SEM(Scanning Electron Microscope)

성장의 관찰을 위해서는 광학현미경을 이용하여 입계를 관찰한 후 으로 보다SEM

자세한 입계면과 미세구조를 관찰하였다

결정성 분석3-3

박막의 결정성과 백금산화물의 상형성을 알아보기 위해 정도의 시편을 만1 x1

들어 사의 선 회절기로 을 얻었다 는MAC science X XRD pattern X-ray Cu Ka line

을 사용하였다( =15405 ) λ Å

- 26 -

첨가가스의 탈착 거동3-4

산소가스의 탈착 거동은 미세 열량분석계 와 를 이용하였다(DTA) ellipsometer DTA

는 반응생성물에 따라 계에 출입하는 미세 열량변화를 측정하여 계의 화학 반응온

도 등을 측정할 수 있는 측정 장비이다 는 특수한 광도계 Ellipsometer (

의 하나이며 빛의 편광상태의 변화를 측정하여 표면 및 박막의 구조와photometry)

물성 물질의 광특성 등을 연구하는데 사용되는 정밀 측정 기기이다

시료의 물성과 구조에 따라 반사 또는 투과광의 편광상태는 예민하게 변하므로 편

광상태 변화의 측정 및 분석을 통하여 시료의 물성과 구조에 대한 정보를 정밀하게

얻을 수 있어서 반도체 산업에서 산화막의 두께 및 두께 분포의 측정을 포함하여

박막 등의 분석에 널리 이용되고 있다

최근 반도체 광학재료의 제조 공정에 있어서 공정 제어를 위한 실시간 측정의 필

요성이 증대되고 있다 이에 따라 시료의 표면 상태와 박막의 구조 해석에 뛰어난

능력이 인정된 타원해석기를 이용하는 사례가 증가하고 있다

는 크게 나누어 와 단파장Ellipsometer spectroscopic ellipsometer(SE)

로 나눌 수 있는데 는 구조가 복잡하거나 물성이 알려져 있지 않은ellipsometer SE

시료의 기계적 두께 전자적 흡수단 구조 해석에 유리하지만 증착 에칭 열처리( ) ( )

표면반응 등의 공정 관측에는 거의 연속적인 데이터 획득이 유리한 단파장 타원해

석기가 널이 이용되고 있다 본 과제에서는 반사된 광원의 와 를 측정하 tan cosψ

여 굴절율 과 소광계수 값을 측정하였다(n) (k)

- 27 -

제 절 패턴 제작 공정의 개발3

일반적으로 금속의 저항은 다음의 식으로 표시된다

R = p(LA) -------------- (A)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 단면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

금속의 저항은 위와 같은 형태학적인 변수 외에 온도 등에도 의존하게 되는데 Pt

등의 경우 이러한 금속의 저항이 온도에 대해 선형적으로 증가하는 특Ni Cu W

성을 가지고 있다 이러한 온도저항 특성을 이용하여 주변의 온도를 감지하는 측온

저항체 온도센서로 많이 사용되고 있다 이러한 온도센서는 주변 온도에 대하여 다

음의 관계식을 갖는다

R(T) = R0 + TR0

온도 에서의 저항R(T) T Ro 기준점 에서의 저항 온도선형계수 측정온 (O ) T α

도

물질에 따라 온도선형계수 는 정해져 있으며 형태변수식 에 의한 금속의 저( ) (A)α

항 값이 높을수록 온도변화에 대한 저항변화 값이 증가하여 정확한 온도를 측정할

수 있다 소자의 경향에 따라 작은 크기의 미세소자로 원하는 기능을 輕薄短小化

얻고자 하는 것이 기술적인 경향이다 따라서 박막 기술을 이용한 금속 박막 온도

센서의 제작이 활발히 이루어지고 있으며 일부 제품의 경우 제품화되어 사용되고

있다 금속의 종류에 따라 특성을 나타내기 위한 최소의 박막 두께가 정해지 bulk

며 일정 두께 이하에서는 특성을 나타내지 못하게 된다 따라서 안정한 소자bulk

를 얻기 위해서는 일정 두께 이상의 박막두께가 필요하게 된다5) 백금저항소자의

경우 마이크로미터 이상의 두께가 필요한 것으로 알려져 있다 박막의 두께가10

일정할 때 저항 값의 조절은 패턴의 선폭에 의하여 조절되게 된다 이러한 선폭을

조절하기 위하여 기존에 사용되는 방법은 레이저트리밍 습식 식각 건식 식각 등의

방법이 사용된다 선폭의 조절이나 소자의 열화와 같은 문제가 발생할 수 있다

- 28 -

본 과제에서는 박막형 온도센서 제작에 있어 실리콘 기판위에 절연층의 식각을 통

해 원하는 패턴을 미리 형성하고 금속을 증착하여 온도센서를 제조함으로써 백금박

막의 저항조절을 용이하게 하고 소자의 내구성 향상과 소자크기를 소형화한 온도센

서를 제작하고자 하였다 그림 는 본 과제의 온도센서 제조공정을 나타내는 그림 5

이다 공정의 용이성에 따라 절연막 코팅을 패드보호막 형성 이후에 진행할 수도

있다

그림 당 과제에서 개발한 매립형 백금박막 온도센서 제조공정 모식도 5

- 29 -

제 절 소자 평가4

백금저항 온도센서의 여러 가지 물성 측정은 규정에 따른다KS C 1603-1991 19)

이에 따르면 온도특성 전기적 특성 기계적 특성에 대한 측정으로 크게 구별 될 수

있다 온도특성에는 온도에 대한 허용오차 안정도 자기 가열특성 등이 있으며 전

기적 특성에는 절연저항 내전압 등이 있고 기계적 특성으로는 내충격성과 내진동

성 등의 세부 항목들이 있으며 각각의 특성치를 시험하기 위한 방법이 규정되어 있

다

국제온도눈금 규격 에(ITS-1990 The International Temperature Scale of 1990)

의하면 평형수소의 삼중점 부터 은의 응고점 까지의 영역에서는(138033K) (96178)

에서 정의된 고정점들 사이를 내삽해 주는 기준함수 및 편차함수를 사용ITS-1990

하여 교정된 백금저항온도계에 의해 정의되도록 하고 있다 따라서 온도센서의 검

교정은 사용영역 내에서의 고정점들과 표준온도계의 온도저항 특성을 비교함으로써

얻을 수 있다 본 과제에서는 제작된 온도센서 및 상용센서의 평가를 위해 한국표

준과학연구원의 온도연구실에 있는 장비를 이용하였다 리드선의 저항오차를 최대

한 줄이기 위해 선 결선 방법을 택하였으며 리드선으로 직경 의 백금 선4 02 mm

을 사용하였다 물의 삼중점 주석의 녹는점 아연의 녹는점 등의 고정점 개와 항 3

온조를 이용한 50~ 도 사이의 온도 범위에서 측정점을 정하여 백금표준온도450

저항값과 제작된 온도센서의 저항값을 측정하여 온도선형계수 및 고온에서의 허용

오차 등을 측정하였다 측정조건은 를 사용하여 규정전류 HP 3458 multimeter 1mA

를 회로상에 흐르도록 구성한 뒤 저항값을 소수 째 자리까지 측정하여 유효 숫자4

는 소수 자리까지 사용하였다 일정한 온도를 얻기 위하여 사용되는 항온조는 온3

도영역에 따라 이하의 저온 영역은 알콜 영역에서는 에틸렌 글리0 0~100

콜 은 실리콘 오일을 사용하였으며 원하는 온도에 이른 후 평형을 100~200

위하여 분 이상 기다린 다음 표준저항기와 온도센서의 저항값을 각각 회씩 측30 3

정하여 평균값을 취하였다

- 30 -

에서는 저항기의 기준값으로 를 물의 삼중점 의 저ITS-1990 R (27316K=001 )

항 값으로 취하고 있다 정점의 실현은 녹는점 또는 어는점에서 잠열의 출입과 관

계없이 일정한 온도를 유지하는 특성을 이용한 것으로 녹는점 부근에서의 열량 조

절이 매우 중요하다 주석과 아연의 녹는점 실현을 위한 로는 석영관 내부에 주석

과 아연이 들어 있는 가 있고 표준저항기와 측정하고자 하는 온도센서thermal bath

가 들어가 있는 작은 석영관으로 이루어진 이중 구조로 되어있다 녹는점의 실현

을 위해서는 정밀한 저항 조절을 통한 온도제어가 필요하다 이를 위해 사용되는

기기로는 등이 사용되는데 이는current comparator resistance bridge 10-7 ohm

정도의 저항 조절이 가능한 장비이며 이를 온도로 환산하면 정도의 고정001mK

밀도를 가진다

- 31 -

제 장 기술개발결과3

- 32 -

제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금 박막의 필요성1

백금 박막은 백금 자체의 온도 저항 특성을 이용한 온도센서 및 로서의 응용 heater

과 촉매로서의 활용도 활발하게 이루어지고 있다 박막온도센서로의 응용을 위해서

는 온도변화에 따른 저항 변화계수(Temperature Coefficient of Resistance TCR)

가 중요한데 규정값(38510-3 이상의 을 얻기 위해서는 백금의 두께가 ) TCR 1

이상이 되어야 한다고 알려져 있다 5) 그림 은 백금박막의 두께에 따른 의6 TCR

변화를 나타내는 그림이다 은 두께뿐만 아니라 백금 박막의 미세구조 불순물 TCR

기판의 열팽창 계수 등 여러 가지 요인에 의존한다 이러한 여러 변수 중 두께 및

미세구조 조절은 순도와 함께 최적의 온도 저항 계수를 위한 중요 변수로 작용하는

것으로 알려져 있다18-20)

그림 두께에 따른 온도저항계수의 변화 6 5)

실리콘 기판 위의 백금증착은 앞서 설명한 바와 같이 열팽창 계수의 차이 부착력

문제 등으로 원하는 을 얻기 어렵다 백금의 열팽창 계수는TCR 8910-6 로 경우degc

실리콘에(2610-6 비해 높은 값을 가지며 온도 에서 다음과 같은 저항체 길degC) T

이의 변화를 유발하게 된다

- 33 -

L(T)=L(o)(1+ (Tα t-To)

백금과 기판의 열팽창 계수 차이 온도 Tα

특히 기판의 열팽창 계수가 작으면 백금저항의 감소를 유발하게 되어 저하의 TCR

원인이 된다 따라서 기존 상용제품의 경우 대부분이 백금과 열팽창 계수 차이가

없고 부착력이 좋은 알루미나를 기판재료로 사용하고 있다 본 과제의 거대 입성장

된 백금박막은 이러한 열팽창 계수의 차이에서 오는 부의 효과를 미세구조의 조절

을 통해 극복하고자 하였다

에 영향을 미치는 접착증을 사용하지 않으면서 백금박막의 접착력 증진을 위TCR

한 방법은 기존의 이노스텍 특허 기술을 이용하여 증착할 수 있다36) 이 경우 백금

박막의 미세구조는 그림 과 같이 일반적인 구조의 백금박막을 얻을 수7 columnar

있다 그러나 이 경우 은 TCR 38010-3 정도로 온도센서로 사용가능한 규격 인

38010-3 에 크게 못 미침을 예비 실험을 통하여 알 수 있었다

그림 일반적인 백금박막의 미세구조를 나타내는 전자 현미경 사진 7

- 34 -

또한 승온과 냉각과정에서 같은 온도에서의 저항값이 서로 다른 특성을hysteresis

나타내었다 이는 온도의 상승에 따라 열팽창계수의 차이에 의한 응력이나 접착력

변화에서 기인되는 문제로 생각되었다 백금 박막의 미세구조를 단결정에 가깝게

제작할 수 있다면 입계면에서의 에 기인하는 저항변화 를 제거 할 수scatting factor

있다 본 과제에서는 이를 위하여 백금의 거대입성장 현상을 이용하여 두께 에 1

서 수 의 입자크기를 갖는 백금박막을 온도센서 소자로 사용하였다 거대입mm~cm

성장 박막의 증착 조건 등은 표 에 표시하였다6

- 35 -

거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

- 36 -

그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

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제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 2000

3) F R Hartly Chemistry of the Platinum Group Metal Elsivier (1991)

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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

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19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

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26) J P Holman Heat Transfer McGRAW-HILL Co p 110 (1981)

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28) H F Winters and E kay j Appl Phys 33 1898 (1962)

29) Jialiang Zhang Yoshimichi Nagao Saburo Kuwano and Yoshinori to Jpn

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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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 2 -

제 출 문

중소기업청장 귀하

본 보고서를 반도체 공정기술을 이용한 백금박막온도 센서 양산기술 개발 에 관[ ]

한 중소기업부품 소재공동기술개발사업 개발기간 년 월 일 년 월( 2001 7 1 ~2002 6ㆍ

일 의 최종보고서로 제출합니다30 )

년 월 일2002 8 30

주 관 기 업 이 노 스 텍 주( )

과제책임자 이 동 수

공동개발기업 주 씨에스이엔지 직인( ) ( )

- 3 -

요 약 서 초 록( )

과 제 명 반도체 공정기술을 이용한 백금박막 온도센서 양산기술 개발

주 관 기 업 이 노 스 텍 주( )주관기업

과제책임자이 동 수

개 발 기 간 년 월 일 년 월 일 개월20011 7 1 ~ 2002 6 30 (12 )

총개발사업비

천원( )

정부출연금 238002총개발

사업비398002기업

부담금

현금 45000

현물 115000

공동개발기업명 주 씨에스이엔지( )

주요기술용어

백금박막 온도센서 스퍼터링 온도선형계수 식각 반도체 공

정 기판Si (Platinum thin film temperature sensor Sputtering

TCR Etching Semiconductor processing Si wafer)

기술개발 목표1

실리콘 기판을 이용한 온도선형계수 385X10-3 이상의 온도센서 양산 기술

개발 표준저항 ( (0degC) 100 500 1000 )Ω Ω Ω

기술개발의 목적 및 중요성2

를 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 가정용 및 공업용 온도센Si wafer

서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 경향에 따라 고성능 백輕薄短小化

금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한 산업계의 필요성 증대에도

불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전부터 추진되어 왔으나 산업화10

에 실패하였다 가장 많은 연구가 진행된 분야인 알루미나기판을 사용한 백금박

막 온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술개발10 know-how

가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당 과제에서는 이

러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을 위하여 기존에 사용되지 않는 기판을Si

사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 Si

실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 비하여 열전도가 우수하여 응답특성이

향상될 수 있으며 백금박막 증착전의 기판 식각은 금속박막의 식각에 비하여 선

폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 점과 소자 소형화가 가능

하다는 점이다

- 4 -

기술개발의 내용 및 범위3

본 과제를 통해 이노스텍 주 에서 개발한 백금 박막 미세구조 조절기술과 반도체( )

단위공정 기술 식각기술 이용하여 초소형 백금박막 온도센서 소자의 양산기술을( )

개발하였다 산업공정 자동화에 핵심소자인 온도센서 양산기술로 SiO2 에칭을 통

한 상감법 패턴 제조방법을 택하였다 온도센서에 적합한 거대 입성장 백금박막

증착기술을 개발하였으며 미세구조 조절기술 기존 제품에 비하여 소자크기를 줄( )

일 수 있는 표준저항 인 고정밀 온도 센서를 개발하였다100 1000 ohm

기술개발 결과4

특허 출원 국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법ldquo rdquo

출원일 년 월 일 출원번호 2002 2 22 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법ldquo rdquo

출원일 년 월 일 출원번호 호 2001 7 30 09918296

일본특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법ldquo rdquo

출원일 년 월 일 출원번호 2001 7 31 2001-231801

기대효과5

산업계에 사용되고 있는 백금온도센서는 현재 전량 수입에 의존하고 있다 기존

제품은 권선형이나 알루미나 기판 위에 증착된 것으로 기판 가공 및 백금패턴

형성에 많은 비용이 소모된다 본 과제에서 제안된 기술을 이용한 양산화 공정

개발에 성공할 경우 기존 제품에 비하여 우수한 응답특성 및 소형화 및 가격 경

쟁력을 갖춘 백금박막 온도센서로 세계시장에 진출할 수 있다 또한 본 과제에서

획득된 기술은 박막형 나 온도보정용 생산 기술에도 활용될 수 있을heater wafer

것으로 생각된다

- 5 -

목 차

제 장 서 론1

제 절 온도센서의 종류1

제 절 백금저항 온도센서2

제 절 백금저항 온도센서 이론3

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적4

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발목표5

제 장 기술개발 내용과 방법2

제 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목1

온도선형계수1

표준저항2

선폭3

소자크기4

온도안정성5

제 절 백금박막 증착공정의 개발2

박막증착1

증착박막의 열리2

박막의 물성 측정3

두께 및 비저항 측정3-1

미세구조 관찰3-2

결정성 분석3-3

첨가가스의 탈착거동3-4

제 절 패턴 제작 공정의 개발3

제 절 소자 평가4

제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금박막의 필요성1

- 6 -

거대입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

미세구조의 변화2-2

두께에 따른 변화2-3 TCR

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

리드선 부착3

패드보호막 부착4

절연막 코팅5

제작된 백금박막 온도센서6

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항특성2-1

특성2-2 Hysterisis

시정수 특성2-3

자기발열 특성2-4

제 장 결론 및 기대효과4

제 장 참고 문헌5

- 7 -

제 장 서 론1

- 8 -

제 장 서 론1

제 절 온도센서의 종류1

온도센서는 크게 접촉식과 비접촉식으로 나뉠 수 있으며 비접촉식 센서는 주로 측

정하고자하는 부위에서 발생하는 열파장을 측정하는 방식으로 주로 산업 또는 연

구의 목적으로 이용되어 진다 일반적으로 산업 및 일상생활에서 이용되는 것은 접

촉식 온도 센서로 이에 해당하는 것으로는 열전대식 써미스터(Thermocouple)

및 측온저항체 온도센(Thermistor) (Resistance temperature detector RTD) IC

서 등이 있다 표 은 접촉식 온도센서의 종류에 따른 특성을 나타내는 표이다 1

표 접촉식 온도센서 종류에 따른 제반 특성 1

RTD

백금저항온도센서( )Thermocouple Thermistor

Temperature

Range-200 ~850

-190 ~

18210 ~ 300

Accuracy plusmn0001degF to 01degF plusmn1degF to 10degF High

Response Time Moderate Fast Fast

StabilityStable over long periods

lt01 error5 yr

Not as stable

1degF erroryrGood stability

Linearity Best Moderate Non-linear

Sensitivity High sensitivity Low sensitivity High sensitivity

접촉식 온도센서의 세계시장 동향을 살펴보면1-2) 년 이후 써모커플시장 규모는95

동결내지는 감소하고 있으며 써미스터는 낮은 성장률을 보이고 있는 반면에 백금저

항온도계의 시장은 접촉식 온도센서 중에서 높은 성장률을 보이고 있다 이는 써모

커플의 경우 사용영역은 넓으나 정확도에 문제가 있고 써어미스터의 경우 자기가열

효과가 크고 외부 충격에 의한 손상의 가능성이 높아 수요가 한정되기 때문으로 생

각된다 반면 백금저항 온도센서는 온도정확성 및 신뢰도가 매우 높고 박막형 소자

개발에 따른 단가 하락 및 소형화가 가능하여 수요가 증가했기 때문으로 생각된다

- 9 -

제 절 백금저항 온도센서2

는 등과 같은 금속과 함께 의Pt Ru Rh Pd Os Ir platinum group metal (PGM)

하나로 내식성이 강하며 촉매효과가 크고 다른 금속에 비하여 내산화성이 강한 물

질로 알려져 있다3) 또한 온도에 따른 저항변화의 특성이 직선적인 특성을 가지고

있어 온도센서나 로 사용되고 있다heater 4-5) 표 에 백금의 물리적 특성을 정리2

하였다

표 백금의 물리적 성질 2

백금저항 온도센서는 외부의 온도 변화에 따른 백금의 저항 변화를 이용한 방식으

로 현재 실용화되어 있는 온도 센서 중에서 안정도와 감도가 매우 높아 고정밀의

온도 계측이 가능한 센서이다 또한 기준 접점에 대한 보상회로가 불필요하므로 간

단한 부가회로를 이용하여 온도에 대하여 직선적 출력을 얻을 수 있으며 이에 따

라 센서의 신뢰도가 매우 높은 장점을 갖고 있다6-7) 그림 은 상용화되어 있는 백1

금저항 온도센서를 나타내고 있다

- 10 -

(a) (b) (c)

그림 백금저항 온도센서의 종류 세선가공형 세라믹봉입형 박막형 1 (a) (b) (c)

이제까지 상용화된 백금저항 온도센서는 운모판에 백금선을 감은 운모형 세라믹

튜브내에 백금코일을 넣고 봉입한 세라믹형 및 백금코일을 저융점 유리로 molding

한 유리형이 광범위하게 사용되어 왔다8) 이들 센서는 고순도의 백금선으로 만들어

지기 때문에 기계적 특성 진동 충격 등 이 나쁘며 백금코일제작 및 에 많( ) molding

은 시간이 소요된다 또한 세라믹 봉입형의 경우 센서의 소형화가 어렵고 온도감응

속도가 느리며 생산비가 고가인 단점을 가지고 있다 이러한 단점을 극복하기 위해

최근에는 고도의 박막기술을 이용한 백금박막 온도센서의 개발이 매우 중요하게 되

었다 박막기술을 이용할 경우 온도센서의 소형화 및 신뢰성 향상은 물론이며 생산

비의 절감과 생산성 향상에 따른 경제적 파급효과가 매우 클 것으로 기대되고 있

다 지금까지 개발된 백금박막 온도센서의 경우 접착력과 기판과의 열팽창 계수의

차이에서 발생하는 문제로 인해 기판재료로 알루미나를 주로 사용하여 왔다59-11)

현재 백금박막 온도센서를 상용화한 회사로는 Heraeus Jumo(Germany) Hayashi

등의Denko (Japan) Minco Hycal(USA) Sentek(Taiwan) Xian Diamond(China)

회사가 있다

- 11 -

제 절 백금저항 온도센서 이론3

에 따르면 금속의 저항은 격자산란과 결함에 의한 산란 두가지Matthiessens rule

형태의 산술합으로 나타낼 수 있으며 다음의 식으로 표현된다

p = pi(T) + p

양자역학에 의하면 금속전도체 내에서의 전기전도는 전자에 의한 것임을 알 수 있

다12-14) 이상적인 결정체 격자진동도 존재하지 않는 상태 금속에서의 전도는 에( )

너지 손실 저항 없이 이루어질 수 있다 그러나 실제 금속에서는 격자진동과 결함( )

구조결함 불순물 등 이 존재하며 이들이 전기전도를 방해하는 저항으로 작용한다( )

전도전자가 충돌하기 전까지 진행한 평균길이를 전자의 평균자유행로라 하며(mean

라 하며 일반적으로 평균자유행로가 길수록 전기저항율은 작아짐을 알free path)

수 있다 표 은 금속의 전기저항율과 평균자유행로를 나타내는 표이다 3

표 금속에서의 평균자유행로 저항율 의 값 3 Debye temp 12-14)

격자진동 에 의한 저항은(phonon) pi 로 결함에 의한 저항은 로 나타낼 수 있(T) p

고 재료의 전체 저항율은 위의 로 나타낼 수 있다matthiessenrsquos rule

- 12 -

에서Matthiessens rule pi 는 과 전도전자의 충돌에 의한 저항율의 변화(T) phonon

를 나타내는 것이며 저항온도계의 온도 저항 특성을 결정하는 항이다 이론 Debye

에12) 의하면 pi 는 온도(T) Debye ( = hvθ max 를 기준으로 온도의존성이 다음과 같k)

이 나타나게 된다

pi(T) Tcong n for Tlt n = 5θ

pi(T) T for T gtθcong

표 에 여러 재료의 온도가 나타나 있다 온도 이상의 영역에서3 Debye Debye

에 의한 저항율의 온도의존성은 차 함수에 비례하는 것으로 생각할 수 있phonon 1

다 온도에 따라 저항율이 일정하기 위해서는 의 항이 온도 matthiessenrsquos rule p

의 존성이 없어야 하지만 실제로 Po = Po 값으로 온도의존성을 가지며+ (Tp)

여기에 영향을 미치는 인자는 크게 다음과 같이 나눌 수 있다18)

화학적 요인 조성 불순물 산화 기체의 흡수 등( )

물리적요인 격자결함 구조결함 공극 격자간원자 전위 적층결함 입계 등( )

기계적요인 외력 변형 변위 등( ) (stress) (strain)

온도센서 제조시 온도에 따른 의 제거가 소자의 정밀도 안정성 등을 결정하(Tp)

는 요인이 된다 조성의 경우 타켓의 순도에 의해 결정되므로 공정조절을 통해 조

절할 수는 없지만 가능하면 백금의 증착시에 기초 진공을 낮추어 주는 것이 좋다

(10-6 이하 표 는 불순물 농도에 따른 온도저항변화율을 나타내는 표이다Torr ) 4

표 불순물 농도에 따른 온도저항율 변화 4 18)

불순물 n(times10α -6)(ppm)

Ag 023

Rh 019

Si 027

Ru 018

Fe 078

Au 006

- 13 -

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적4

센서에 대한 연구 개발은 반도체 메모리 및 에너지 산업과 더불어 년대의 핵2000

심 첨단 산업의 하나로서 년대 이후 여러 분야에서 지속적으로 진행되어 오1980

고 있다 특히 초창기의 벌크 또는 후막식 센서에서 최근에는 고감도 및 대량 생산

이 용이한 박막형 센서에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다 박막형 센서는

박막의 특징인 소형화 및 정밀화가 가능하여 그 응용 범위가 제한이 없을 정도로

매우 유망한 분야이다 백금저항 온도센서는 그림 에 나타난 바와 같이 자동차 2

산업체 공정제어용 뿐만 아니라 백색가전 등 일상생활 전 분야에 폭넓게 이용되고

있으며 그 규모가 년 현재 전 세계적으로 약 억 달러에 이르렀으며 그 규모2002 10

가 성장하고 있는 매우 유망한 분야이다 특히 고성능 고정밀도를 갖는 백금박막

온도 센서 시장 규모의 증가는 써미스터나 써머커플의 시장 성장 속도에 비하여 매

무 높은 것으로 알려져 있다1-2)

그림 백금온도센서의 응용분야 2 15)

- 14 -

기존의 백금박막 온도센서 소자는 접착력 등의 문제로 알루미나 기판을 사용하여

제작되고 있다9-1115) 알루미나 기판 위에 원하는 금속박막을 증착한 후 일정한 저

항값을 얻기 위하여 금속박막을 레이저 트리밍 습식 식각 그리고 플라즈마 에칭과

같은 건식 식각을 통해 패턴을 형성하게 된다 알루미나 기판을 사용할 경우 증착

하는 금속박막의 두께가 마이크론 정도의 두께이므로 기판의 표면 거칠기를 정밀하

게 조절하기 위해 기판 표면 가공이 필요하게 된다 또한 표면 가공 후 금속박막의

부착력 증진을 위해 알루미나 기판 표면을 코로나 방전처리를 하기도 한다11) 이러

한 표면가공에는 많은 비용이 소요되어진다 금속박막의 패턴 형성을 위해 사용되

는 레이저 트리밍의 경우 레이저 가공에 의한 소자 열화 문제와 수율 등이 문제시

되며 감광막을 이용한 금속박막의 습식 식각에서는 식각의 진행 정도에 따라 용액

의 농도가 변화하여 식각 속도의 조절에 어려움이 있다 또한 금속 박막의 식각 속

도나 식각 양상에 따라 패턴 선폭이 제한되기도 한다 그림 은 레이저트리밍 이나 3

습식식각 공정을 통하여 제작된 백금 패턴을 보여주고 있다 식각 방법으로 패턴을

제작할 경우에는 가변저항을 만들어주어 패턴 형성 후에 저항을 조절하기도 한

다16) 건식 식각의 경우 비교적 정확하게 패턴을 형성할 수 있으나 금속에 따라서

는 식각된 금속 박막이 에칭 벽면에 달라붙어 정확한 패턴 형성에 어려움이 있으며

고가의 장비를 사용해야하는 단점이 있다17)

레이저 트리밍에 의한 패턴 형성(a)

식각 방법에 의한 패턴 형성(b)

그림 알루미나 기판을 사용한 상용센서의 패턴 형성 방법 3

- 15 -

기판을 사용할 경우 반도체 공정에 공정이 가능하고 가공 등이 용이하Si in-line

며 산화물 박막을 이용한 기능성 소자와 결합된 복합화 센서 를 제(hybride-sensor)

조할 수 있다는 장점을 가지고 있으나 박막과의 부착력이Pt AI2O3 기판에 비하여

크게 떨어지는 단점을 가지고 있다 SiO2 기판과 박막과의 부착력 증진을 위해pt

서는 산화물과 반응성이 좋은 등을 접착층으로 쓰거나Ti Cr 5) 고온 로 표 Plasma

면처리를 하는 방법이 사용되고 있으나 접착증의 사용은 백금박막의 온도선형 계수

를 저하시키고518) 시간에 따른 경시변화를 유발하며 고온 를 사용하는 경plasma

우에는 가격경쟁력과 수율에 문제가 있다

본 과제에서는 이노스텍이 보유하고 있는 기판 위에 백금증착기술과 미세패턴형Si

성 기술을 이용하여 실리콘 기판 위에 절연층을 형성하고 절연층을 식각한 후 금속

박막을 증착하여 패턴을 형성하는 것으로 다음과 같은 장점을 가지고 있다 기판으

로 기존의 알루미나 대신 실리콘 기판을 사용하여 온도센서로 사용할 경우 기판의

열전도가 커서 센서 소자의 응답특성을 향상시킬 수 있다 SiO2 절연층의 식각은

백금박막의 식각에 비하여 선폭 조절이 용이하고 균일도를 향상시킬 수 있으며 기

존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여 까지 선폭을sub-micron

조절할 수 있어 소자의 크기를 획기적으로 작게 할 수 있다 소자 크기의 감소는

응답특성 뿐만 아니라 생산단가를 낮출 수 있는 장점이 있다 또한 실리콘 기판을

사용할 경우 반도체 칩 내부에 온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시 반도체소자

오동작의 주요원인으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계 하여

해결할 수 있는 장점이 있다 또한 백금 박막이 식각된 Si02 표면 안쪽에 증착됨으

로써 후 공정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하여 내구성

을 증진시킬 수 있다

세계 최고의 반도체 단위 공정기술을 가지고 있는 한국에서 실리콘 기판을 사용 하

여 백금박막 온도센서를 제작할 수 있다면 기존 온도센서 시장으로의 진입 및 시

장 선도가 매우 유망 할 수 있다고 판단된다

- 16 -

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표5

최종목표(1) 반도체 공정기술을 이용한 백금박막 온도센서 양산기술 개발

실리콘 기판위에 표준저항 인 온도센서 개발Pt 100 Pt 500 Pt 1000

가 센서용 백금 박막의 증착 및 증착 공정의 최적화 RTD

두께에 따른 온도선형계수 변화(TCR) ㆍ

두께의 균일도는 이내1士ㆍ

미세구조 제어 입자크기에 따른 온도선형 계수 변화 특성( (TCR) )ㆍ

우선배향성에 따른 온도선형계수 변화 특성(TCR) ㆍ

비저항은 이하12 ㆍ μΩ

나 센서용 백금 박막선의 제작을 위한 미세회로 공정의 최적화 RTD

를 제외한 센서소자 크기Pad 22mmㆍ 2 이하

SiOㆍ 2 에칭을 통한 형성 선폭 최대 에서 최소 의 범위를 갖음pattern 100 3

설계된 의 형성에 따른 미세구조 제어patternㆍ

제작된 백금 박막선의 에서의 저항0degC (Rㆍ o 은 선폭 및 길이 또는 공정에 무관하)

게 최대 최소 임1000 100 Ω Ω

제작된 백금 박막선의 온도선형계수 값은 선폭 및 길이 또는 공정에 무관(TCR)ㆍ

하게 정확하게 38510-3 이상 이어야 함

다 소자 평가

및 규격에 따라 센서회로를 설계 제작함KS JIS ㆍ 19-20) 이들 규격에 의하면 제작된

백금 박막선 저항의 양끝에 개의 도선을 접속한 선식 한쪽 끝에 개 다른 한 끝1 2 2

에 개의 토선을 접속한 선식 및 양 끝에 개의 도선을 접속한 선식이 있음1 3 2 4

선식 및 선식은 도선의 저항 효과를 없애기 위한 방식이나 생산성의 저하 우려3 4ㆍ

가 있음 따라서 선식에 의한 회로 구성을 기본으로 선 및 선식을 병행함 2 3 4

선식의 경우 백금 박막선의 저항 값2 (Rㆍ RTD 에 대하여 도선의 저항 값을 충분히)

작게 하여 배 이하 도선의 온도 상승효과를 보상함(100 )

- 17 -

제작된 백금 박막선의 온도 변화에 따른 선형 저항 변화를 유지하기 위한 본딩ㆍ

패드와 도선 접합 저항의 최소화 접촉 저항은 미만( 01 )Ω

온도 구간에서 안정하게 저항 변화를 감지하는 회로 제작-200degC ~ 500degC ㆍ

고정점 에서의 온도 저항의triple point(0degC)- Indium melting point (15659degC)ㆍ

선형성 평가

- 18 -

제 장 기술개발 내용과 방법2

- 19 -

제 장 기술개발 내용과 방법2

제 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목1

표 개발 기술의 평가방법 및 평가항목 5

온도선형계수1

온도선형계수 는 온도센서의 성능을 구별하기 위해 특정온도 구간에서의 평균기(a)

울기로 정의되며 백금의 경우 사이에서의 평균기울기로 정의된다0-100degC 19-20)

DIN22) IEC23) 등 각국의 공업규격에서는 백금측온 저항체의 경우 값으로a

000385degC-1을 규정하고 있다

=(R(100)-R(0))100R(0)α

- 20 -

표준기급 백금저항온도계의 온도변환이나 공업용 저항온도계의 보정 시에는 저항의

절대 값보다 기준온도 에 대한 상대 저항비 가 중요하게 되며 상대 저항비(0degC) (W)

값으로 온도를 계산하게 된다 본 과제에서는 업계 최초로 실리콘 기판을 사용하여

공업규격에 맞는 온도선형성을 갖는 백금박막 온도센서를 개발하고자 하였다 현재

까지 국내에서 개발된 백금박막 온도센서의 경우 온도선형계수는 38510-3 미

만으로 알려져 있다24) 기판을 사용한 경우 층을 중간층으로 사용할 경우Si MgO

값이TCR 38510-3 이상 됨을 보고한 바 있으나 상용화 되거나 일반화 되지는

못하고 있다25))

표준저항2

현재까지 가장 많이 사용되고 있는 백금박막 온도센서으 에서의 표준저항은I 0

이다 이는 지금까지의 알루미나 기판에 과 같은 방법으로 제100 screen printingΩ

작되는 온도센서 제작기술로는 백금박막의 선폭을 하로 제작하기 어려워 소100 ol

자크기에 제한이 따르기 때문이다 최근 들어 사진식각공정이나 레이저 트리밍 기

술의 발전에 따라 선폭의 감소가 이루어져 의 표준저항을 갖는 소자500 1000Ω Ω

의 상용화가 시작되고 있다 표준저항이 클수록 온도 변화에 따른 저항변화가 커서

온도분해능이 증가하는 장점이 있다 본 과제에서는 실리콘 기판에 산화막을 형성

하고 산화막에칭을 통해 선폭을 조절하므로 선폭의 조절이 까지 가능sub-micron

하여 표준저항을 용이하게 증가시킬 수 있으나 선폭저하에 따른 물성저하 등을 고

려하여 본 과제에서는 우선 표준저항 을 목표로 패턴을 디자인 하였100 1000Ω Ω

다

선폭3

선폭은 크게 두가지 측면에서 중요한 인자가 된다 선폭이 감소하면 아래 식에서

저항값을 증가시킬 수 있어 표준저항을 높이거나 같은 표준저항에서 소자크기를 작

게 할 수 있다

R = p(LA) ----------(a)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

- 21 -

그러나 선폭이 너무 작아지면 박막의 두께에 의한 효과와 같이 비저항의 감소가 있

을 수 있다5) 본 과제에서는 선폭을 로 변화시켜 본 과제에서 개2 5 10 50

발된 백금박막 증착공정의 적용여부와 온도선형계수를 조사하였다

소자크기4

소자크기는 응답속도와 직접적인 관계를 갖는다 응답속도의 경우 온도센서의 분해

능 안정도 재현성 등과 더불어 온도센서를 평가하는 중요항목 중의 하나이다 일

반적으로 시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된632

다 온도센서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름

속도에 따라 달라지며 다음과 같은 식으로 알려져 있다 826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 열전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정 A

수 값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기뿐만 아니라 기판재료로 열전도가

알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므로 시정(25WmK) (148WmK)

수가 개선될 것으로 생각된다27)

온도안정성5

온도센서 특성중의 하나인 온도안정성은 의 국제규격에 따라 두 가지IEC751 type

으로 정의된다23)

Class A = (015+0002t)士

온도Class B = (030+0003t) t土

- 22 -

대부분의 박막타입의 경우 가 적용되고 있다 본 과제에서 적용된 백금 박class B

막의 경우 상온 증착 후 후열처리를 통해 백금의 입자크기가 의 크기를 갖mm~cm

는 단결정 입자로 구성되어 온도변화에 따른 특성이 매우 양호한hysteresis loop

특성을 가지고 있다 이러한 온도안정성에 영향을 미치는 요인으로는 흡착가스의

영향 백금입자의 입자성장 기판과의 열팽창 계수 차이에서 오는 응력 등이 주요

원인이 된다18) 상기평가항목의 평가 에 맞는 온도센서를 제작하기 위하여 증spec

착공정의 개발 패턴형성공정 개발 및 소자평가등 각각의 항목에 대한 세부내역은

제 절에 나타내었다2

- 23 -

제 절 백금박막 증착공정의 개발2

그림 는 본 과제에 사용된 기의 개략도를 나타내는 그림이다 진공시스4 sputtering

템은 와 로 구성되었으며rotary turbo pump 10-3 까지는 를 사Torr rotary pump

용하고 그 이후는 와 를 사용하여rotary turbo pump 3010-6 까지 반응실의Torr

진공을 유지 할 수 있도록 설계되었다 스퍼터 방식은 하향식이며 기판온도는 SiC

를 이용하여 까지 조절할 수 있다 균일한 증착을 위해 기판의 회전수heater 700

는 으로 조정가능하며 플라즈마 가스는 아르곤을 사용하였다 증착효율을1-20rpm

높이기 위해 타게트 뒷 부위에 영구자석을 설치한 방식을magnetron sputtering

채택하였다 가스압 조절을 위해 사의 사 MKS Baratron gauge Granville-phillips

의 를 사용하였으며 를 이용하여 가스의 유량을 조절vacuum gauge controller MFC

하였다 증착속도와 증착두께는 사의 Sycon Instruments STM-100MF

와 사의 을 이용하여 실측두께와 표시두께를thicknessrate monitor Tencor -stepα

보정하여 측정하였다

그림 본 과제에서 사용된 스퍼터링 시스템의 모식도4

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일반적으로 스퍼터링에 사용되는 가스는 타게트 물질과의 반응을 방지하기 위하여

불활성 가스 를 사용한다 금속 타게트와 플라즈마 가스와의 반응을 이(Ar Kr Xe)

용한 에서는 반응가스로reactive sputtering O2를 첨가하기도 한다28) 본 연구에서

는 스퍼터링 가스로 아르곤과 아르곤 산소 가지를 사용하였으며 기판온도는 상온+ 2

으로 고정 시켰다 가스압은 증착 는 증착된 백금 1-22 mTorr power 100-250W

박막의 비저항은 를 이용하여 면저항을 측정한 후 을 이용하4 point probe -stepα

여 측정한 두께를 곱하여 구하였다 기판으로 사용된 실리콘 웨이퍼는 thermal

법으로 의oxidation 15 SiO 2 산화막이 증착된 이다P-type Si(100)

박막증착1

증착은 기판온도 가스압력 증착 뿐만 아니라 챔버의Sputtering power geometry

도 중요한 변수 중의 하나이다 예비 실험결과 아르곤만을 가지고 제작한 온도센서

는 기판과의 부착력이 나쁘고 온도선형성이나 온도저항계수 등 제반 사항이 온도센

서 제작에는 맞지 않은 것으로 판명되었다 또한 본 과제에서 기판과의 열팽창 계

수 차이에서 오는 온도저항계수의 저하를 백금미세구조 제어로 해결하고자 하였다

즉 백금박막의 거대입성장을 유도하여 거대입자로 구성된 온도센서를 제작하였다

거대입성장을 얻기 위한 공정은 기존의 실험결과를 바탕으로 다음과 같은 최적 조

건에서 박막을 증착하였다

표 온도센서 제작을 위한 백금박막의 최적 증착조건6

기판온도 가스비 아르곤 산소( ) 증착압력 증착power 비고

상온 1915(SCCM) 5 mTorr 170W

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증착박막의 열처리2

증착된 박막의 열처리는 일반적인 전기로를 사용하였으며 공기중에서 600~1200

영역에서 한 시간 동안 열처리 하였다 열처리 조건에 따른 의 변화에 대한 많 TCR

은 보고가 있으나 본 실험에서는 한 시간으로 고정하였다24-2529) 이는 본 과제에

적용된 거대입성장 백금박막의 경우 시간에 따른 미세구조나 물성 차이를 보이지

않기 때문이었다 또한 백금증착시 산소를 점가하는 경우 백금산화물이 형성되거나

비저항 값이 증가하므로 열처리를 통해 증착 중 첨가된 산소를 박막외부로 확산시

켜야 한다 백금산화물의 경우 반도체 산화물로서 온도저항계수가 음의 값을 갖는

다2430-33) 이러한 산소의 탈착거동을 알아보기 위해 미소열량계를 이용하여 산소의

탈착거동을 관찰하였으며 소광계수의 변화 등을 관찰하였다 소광계수 측정을 위한

박막의 열처리는 진공분위기 에서 써머커플을 기판에 접촉시켜 측정하였(50 mTorr)

다

박막의 물성 측정3

두께 및 비저항 측정3-1

박막의 두께는 사의 을 이용하여 측정하였다 시편에 를 내Tencor -step scratchα

서 박막이 일부를 제거한 후 그 단차를 측정하여 두께를 측정한 후 4-point probe

로 측정한 면저항 값을 곱하여 비저항 값을 얻었다

미세구조 관찰3-2

박막의 입자크기는 이하이므로AS-depo 1000 TEM(Transmission ElectronÅ

관찰을 하였다 슬라이드에 시편을 붙이고 사포를 이용하여 이하Microscopy) 80

까지 연마한 후 하였다 한 시편을 직경 의 에 부착시dimpling dimpling 3 Cu grid

켜 을 하며 이 과정에서 입자충돌에 따른 국부적인 온도상승에 의한 박ion milling

막의 미세구조 변화를 막기 위해 액체질소를 이용하여 냉각하였다 열처리이후에는

를 이용하여 미세구조를 관찰하였다 거대입SEM(Scanning Electron Microscope)

성장의 관찰을 위해서는 광학현미경을 이용하여 입계를 관찰한 후 으로 보다SEM

자세한 입계면과 미세구조를 관찰하였다

결정성 분석3-3

박막의 결정성과 백금산화물의 상형성을 알아보기 위해 정도의 시편을 만1 x1

들어 사의 선 회절기로 을 얻었다 는MAC science X XRD pattern X-ray Cu Ka line

을 사용하였다( =15405 ) λ Å

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첨가가스의 탈착 거동3-4

산소가스의 탈착 거동은 미세 열량분석계 와 를 이용하였다(DTA) ellipsometer DTA

는 반응생성물에 따라 계에 출입하는 미세 열량변화를 측정하여 계의 화학 반응온

도 등을 측정할 수 있는 측정 장비이다 는 특수한 광도계 Ellipsometer (

의 하나이며 빛의 편광상태의 변화를 측정하여 표면 및 박막의 구조와photometry)

물성 물질의 광특성 등을 연구하는데 사용되는 정밀 측정 기기이다

시료의 물성과 구조에 따라 반사 또는 투과광의 편광상태는 예민하게 변하므로 편

광상태 변화의 측정 및 분석을 통하여 시료의 물성과 구조에 대한 정보를 정밀하게

얻을 수 있어서 반도체 산업에서 산화막의 두께 및 두께 분포의 측정을 포함하여

박막 등의 분석에 널리 이용되고 있다

최근 반도체 광학재료의 제조 공정에 있어서 공정 제어를 위한 실시간 측정의 필

요성이 증대되고 있다 이에 따라 시료의 표면 상태와 박막의 구조 해석에 뛰어난

능력이 인정된 타원해석기를 이용하는 사례가 증가하고 있다

는 크게 나누어 와 단파장Ellipsometer spectroscopic ellipsometer(SE)

로 나눌 수 있는데 는 구조가 복잡하거나 물성이 알려져 있지 않은ellipsometer SE

시료의 기계적 두께 전자적 흡수단 구조 해석에 유리하지만 증착 에칭 열처리( ) ( )

표면반응 등의 공정 관측에는 거의 연속적인 데이터 획득이 유리한 단파장 타원해

석기가 널이 이용되고 있다 본 과제에서는 반사된 광원의 와 를 측정하 tan cosψ

여 굴절율 과 소광계수 값을 측정하였다(n) (k)

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제 절 패턴 제작 공정의 개발3

일반적으로 금속의 저항은 다음의 식으로 표시된다

R = p(LA) -------------- (A)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 단면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

금속의 저항은 위와 같은 형태학적인 변수 외에 온도 등에도 의존하게 되는데 Pt

등의 경우 이러한 금속의 저항이 온도에 대해 선형적으로 증가하는 특Ni Cu W

성을 가지고 있다 이러한 온도저항 특성을 이용하여 주변의 온도를 감지하는 측온

저항체 온도센서로 많이 사용되고 있다 이러한 온도센서는 주변 온도에 대하여 다

음의 관계식을 갖는다

R(T) = R0 + TR0

온도 에서의 저항R(T) T Ro 기준점 에서의 저항 온도선형계수 측정온 (O ) T α

도

물질에 따라 온도선형계수 는 정해져 있으며 형태변수식 에 의한 금속의 저( ) (A)α

항 값이 높을수록 온도변화에 대한 저항변화 값이 증가하여 정확한 온도를 측정할

수 있다 소자의 경향에 따라 작은 크기의 미세소자로 원하는 기능을 輕薄短小化

얻고자 하는 것이 기술적인 경향이다 따라서 박막 기술을 이용한 금속 박막 온도

센서의 제작이 활발히 이루어지고 있으며 일부 제품의 경우 제품화되어 사용되고

있다 금속의 종류에 따라 특성을 나타내기 위한 최소의 박막 두께가 정해지 bulk

며 일정 두께 이하에서는 특성을 나타내지 못하게 된다 따라서 안정한 소자bulk

를 얻기 위해서는 일정 두께 이상의 박막두께가 필요하게 된다5) 백금저항소자의

경우 마이크로미터 이상의 두께가 필요한 것으로 알려져 있다 박막의 두께가10

일정할 때 저항 값의 조절은 패턴의 선폭에 의하여 조절되게 된다 이러한 선폭을

조절하기 위하여 기존에 사용되는 방법은 레이저트리밍 습식 식각 건식 식각 등의

방법이 사용된다 선폭의 조절이나 소자의 열화와 같은 문제가 발생할 수 있다

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본 과제에서는 박막형 온도센서 제작에 있어 실리콘 기판위에 절연층의 식각을 통

해 원하는 패턴을 미리 형성하고 금속을 증착하여 온도센서를 제조함으로써 백금박

막의 저항조절을 용이하게 하고 소자의 내구성 향상과 소자크기를 소형화한 온도센

서를 제작하고자 하였다 그림 는 본 과제의 온도센서 제조공정을 나타내는 그림 5

이다 공정의 용이성에 따라 절연막 코팅을 패드보호막 형성 이후에 진행할 수도

있다

그림 당 과제에서 개발한 매립형 백금박막 온도센서 제조공정 모식도 5

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제 절 소자 평가4

백금저항 온도센서의 여러 가지 물성 측정은 규정에 따른다KS C 1603-1991 19)

이에 따르면 온도특성 전기적 특성 기계적 특성에 대한 측정으로 크게 구별 될 수

있다 온도특성에는 온도에 대한 허용오차 안정도 자기 가열특성 등이 있으며 전

기적 특성에는 절연저항 내전압 등이 있고 기계적 특성으로는 내충격성과 내진동

성 등의 세부 항목들이 있으며 각각의 특성치를 시험하기 위한 방법이 규정되어 있

다

국제온도눈금 규격 에(ITS-1990 The International Temperature Scale of 1990)

의하면 평형수소의 삼중점 부터 은의 응고점 까지의 영역에서는(138033K) (96178)

에서 정의된 고정점들 사이를 내삽해 주는 기준함수 및 편차함수를 사용ITS-1990

하여 교정된 백금저항온도계에 의해 정의되도록 하고 있다 따라서 온도센서의 검

교정은 사용영역 내에서의 고정점들과 표준온도계의 온도저항 특성을 비교함으로써

얻을 수 있다 본 과제에서는 제작된 온도센서 및 상용센서의 평가를 위해 한국표

준과학연구원의 온도연구실에 있는 장비를 이용하였다 리드선의 저항오차를 최대

한 줄이기 위해 선 결선 방법을 택하였으며 리드선으로 직경 의 백금 선4 02 mm

을 사용하였다 물의 삼중점 주석의 녹는점 아연의 녹는점 등의 고정점 개와 항 3

온조를 이용한 50~ 도 사이의 온도 범위에서 측정점을 정하여 백금표준온도450

저항값과 제작된 온도센서의 저항값을 측정하여 온도선형계수 및 고온에서의 허용

오차 등을 측정하였다 측정조건은 를 사용하여 규정전류 HP 3458 multimeter 1mA

를 회로상에 흐르도록 구성한 뒤 저항값을 소수 째 자리까지 측정하여 유효 숫자4

는 소수 자리까지 사용하였다 일정한 온도를 얻기 위하여 사용되는 항온조는 온3

도영역에 따라 이하의 저온 영역은 알콜 영역에서는 에틸렌 글리0 0~100

콜 은 실리콘 오일을 사용하였으며 원하는 온도에 이른 후 평형을 100~200

위하여 분 이상 기다린 다음 표준저항기와 온도센서의 저항값을 각각 회씩 측30 3

정하여 평균값을 취하였다

- 30 -

에서는 저항기의 기준값으로 를 물의 삼중점 의 저ITS-1990 R (27316K=001 )

항 값으로 취하고 있다 정점의 실현은 녹는점 또는 어는점에서 잠열의 출입과 관

계없이 일정한 온도를 유지하는 특성을 이용한 것으로 녹는점 부근에서의 열량 조

절이 매우 중요하다 주석과 아연의 녹는점 실현을 위한 로는 석영관 내부에 주석

과 아연이 들어 있는 가 있고 표준저항기와 측정하고자 하는 온도센서thermal bath

가 들어가 있는 작은 석영관으로 이루어진 이중 구조로 되어있다 녹는점의 실현

을 위해서는 정밀한 저항 조절을 통한 온도제어가 필요하다 이를 위해 사용되는

기기로는 등이 사용되는데 이는current comparator resistance bridge 10-7 ohm

정도의 저항 조절이 가능한 장비이며 이를 온도로 환산하면 정도의 고정001mK

밀도를 가진다

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제 장 기술개발결과3

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제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금 박막의 필요성1

백금 박막은 백금 자체의 온도 저항 특성을 이용한 온도센서 및 로서의 응용 heater

과 촉매로서의 활용도 활발하게 이루어지고 있다 박막온도센서로의 응용을 위해서

는 온도변화에 따른 저항 변화계수(Temperature Coefficient of Resistance TCR)

가 중요한데 규정값(38510-3 이상의 을 얻기 위해서는 백금의 두께가 ) TCR 1

이상이 되어야 한다고 알려져 있다 5) 그림 은 백금박막의 두께에 따른 의6 TCR

변화를 나타내는 그림이다 은 두께뿐만 아니라 백금 박막의 미세구조 불순물 TCR

기판의 열팽창 계수 등 여러 가지 요인에 의존한다 이러한 여러 변수 중 두께 및

미세구조 조절은 순도와 함께 최적의 온도 저항 계수를 위한 중요 변수로 작용하는

것으로 알려져 있다18-20)

그림 두께에 따른 온도저항계수의 변화 6 5)

실리콘 기판 위의 백금증착은 앞서 설명한 바와 같이 열팽창 계수의 차이 부착력

문제 등으로 원하는 을 얻기 어렵다 백금의 열팽창 계수는TCR 8910-6 로 경우degc

실리콘에(2610-6 비해 높은 값을 가지며 온도 에서 다음과 같은 저항체 길degC) T

이의 변화를 유발하게 된다

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L(T)=L(o)(1+ (Tα t-To)

백금과 기판의 열팽창 계수 차이 온도 Tα

특히 기판의 열팽창 계수가 작으면 백금저항의 감소를 유발하게 되어 저하의 TCR

원인이 된다 따라서 기존 상용제품의 경우 대부분이 백금과 열팽창 계수 차이가

없고 부착력이 좋은 알루미나를 기판재료로 사용하고 있다 본 과제의 거대 입성장

된 백금박막은 이러한 열팽창 계수의 차이에서 오는 부의 효과를 미세구조의 조절

을 통해 극복하고자 하였다

에 영향을 미치는 접착증을 사용하지 않으면서 백금박막의 접착력 증진을 위TCR

한 방법은 기존의 이노스텍 특허 기술을 이용하여 증착할 수 있다36) 이 경우 백금

박막의 미세구조는 그림 과 같이 일반적인 구조의 백금박막을 얻을 수7 columnar

있다 그러나 이 경우 은 TCR 38010-3 정도로 온도센서로 사용가능한 규격 인

38010-3 에 크게 못 미침을 예비 실험을 통하여 알 수 있었다

그림 일반적인 백금박막의 미세구조를 나타내는 전자 현미경 사진 7

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또한 승온과 냉각과정에서 같은 온도에서의 저항값이 서로 다른 특성을hysteresis

나타내었다 이는 온도의 상승에 따라 열팽창계수의 차이에 의한 응력이나 접착력

변화에서 기인되는 문제로 생각되었다 백금 박막의 미세구조를 단결정에 가깝게

제작할 수 있다면 입계면에서의 에 기인하는 저항변화 를 제거 할 수scatting factor

있다 본 과제에서는 이를 위하여 백금의 거대입성장 현상을 이용하여 두께 에 1

서 수 의 입자크기를 갖는 백금박막을 온도센서 소자로 사용하였다 거대입mm~cm

성장 박막의 증착 조건 등은 표 에 표시하였다6

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거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

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그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

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미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

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사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

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두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 2000

3) F R Hartly Chemistry of the Platinum Group Metal Elsivier (1991)

4) United States Patent 4050052 (1977)

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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) p138

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19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

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26) J P Holman Heat Transfer McGRAW-HILL Co p 110 (1981)

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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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 3 -

요 약 서 초 록( )

과 제 명 반도체 공정기술을 이용한 백금박막 온도센서 양산기술 개발

주 관 기 업 이 노 스 텍 주( )주관기업

과제책임자이 동 수

개 발 기 간 년 월 일 년 월 일 개월20011 7 1 ~ 2002 6 30 (12 )

총개발사업비

천원( )

정부출연금 238002총개발

사업비398002기업

부담금

현금 45000

현물 115000

공동개발기업명 주 씨에스이엔지( )

주요기술용어

백금박막 온도센서 스퍼터링 온도선형계수 식각 반도체 공

정 기판Si (Platinum thin film temperature sensor Sputtering

TCR Etching Semiconductor processing Si wafer)

기술개발 목표1

실리콘 기판을 이용한 온도선형계수 385X10-3 이상의 온도센서 양산 기술

개발 표준저항 ( (0degC) 100 500 1000 )Ω Ω Ω

기술개발의 목적 및 중요성2

를 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 가정용 및 공업용 온도센Si wafer

서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 경향에 따라 고성능 백輕薄短小化

금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한 산업계의 필요성 증대에도

불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전부터 추진되어 왔으나 산업화10

에 실패하였다 가장 많은 연구가 진행된 분야인 알루미나기판을 사용한 백금박

막 온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술개발10 know-how

가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당 과제에서는 이

러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을 위하여 기존에 사용되지 않는 기판을Si

사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 Si

실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 비하여 열전도가 우수하여 응답특성이

향상될 수 있으며 백금박막 증착전의 기판 식각은 금속박막의 식각에 비하여 선

폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 점과 소자 소형화가 가능

하다는 점이다

- 4 -

기술개발의 내용 및 범위3

본 과제를 통해 이노스텍 주 에서 개발한 백금 박막 미세구조 조절기술과 반도체( )

단위공정 기술 식각기술 이용하여 초소형 백금박막 온도센서 소자의 양산기술을( )

개발하였다 산업공정 자동화에 핵심소자인 온도센서 양산기술로 SiO2 에칭을 통

한 상감법 패턴 제조방법을 택하였다 온도센서에 적합한 거대 입성장 백금박막

증착기술을 개발하였으며 미세구조 조절기술 기존 제품에 비하여 소자크기를 줄( )

일 수 있는 표준저항 인 고정밀 온도 센서를 개발하였다100 1000 ohm

기술개발 결과4

특허 출원 국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법ldquo rdquo

출원일 년 월 일 출원번호 2002 2 22 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법ldquo rdquo

출원일 년 월 일 출원번호 호 2001 7 30 09918296

일본특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법ldquo rdquo

출원일 년 월 일 출원번호 2001 7 31 2001-231801

기대효과5

산업계에 사용되고 있는 백금온도센서는 현재 전량 수입에 의존하고 있다 기존

제품은 권선형이나 알루미나 기판 위에 증착된 것으로 기판 가공 및 백금패턴

형성에 많은 비용이 소모된다 본 과제에서 제안된 기술을 이용한 양산화 공정

개발에 성공할 경우 기존 제품에 비하여 우수한 응답특성 및 소형화 및 가격 경

쟁력을 갖춘 백금박막 온도센서로 세계시장에 진출할 수 있다 또한 본 과제에서

획득된 기술은 박막형 나 온도보정용 생산 기술에도 활용될 수 있을heater wafer

것으로 생각된다

- 5 -

목 차

제 장 서 론1

제 절 온도센서의 종류1

제 절 백금저항 온도센서2

제 절 백금저항 온도센서 이론3

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적4

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발목표5

제 장 기술개발 내용과 방법2

제 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목1

온도선형계수1

표준저항2

선폭3

소자크기4

온도안정성5

제 절 백금박막 증착공정의 개발2

박막증착1

증착박막의 열리2

박막의 물성 측정3

두께 및 비저항 측정3-1

미세구조 관찰3-2

결정성 분석3-3

첨가가스의 탈착거동3-4

제 절 패턴 제작 공정의 개발3

제 절 소자 평가4

제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금박막의 필요성1

- 6 -

거대입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

미세구조의 변화2-2

두께에 따른 변화2-3 TCR

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

리드선 부착3

패드보호막 부착4

절연막 코팅5

제작된 백금박막 온도센서6

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항특성2-1

특성2-2 Hysterisis

시정수 특성2-3

자기발열 특성2-4

제 장 결론 및 기대효과4

제 장 참고 문헌5

- 7 -

제 장 서 론1

- 8 -

제 장 서 론1

제 절 온도센서의 종류1

온도센서는 크게 접촉식과 비접촉식으로 나뉠 수 있으며 비접촉식 센서는 주로 측

정하고자하는 부위에서 발생하는 열파장을 측정하는 방식으로 주로 산업 또는 연

구의 목적으로 이용되어 진다 일반적으로 산업 및 일상생활에서 이용되는 것은 접

촉식 온도 센서로 이에 해당하는 것으로는 열전대식 써미스터(Thermocouple)

및 측온저항체 온도센(Thermistor) (Resistance temperature detector RTD) IC

서 등이 있다 표 은 접촉식 온도센서의 종류에 따른 특성을 나타내는 표이다 1

표 접촉식 온도센서 종류에 따른 제반 특성 1

RTD

백금저항온도센서( )Thermocouple Thermistor

Temperature

Range-200 ~850

-190 ~

18210 ~ 300

Accuracy plusmn0001degF to 01degF plusmn1degF to 10degF High

Response Time Moderate Fast Fast

StabilityStable over long periods

lt01 error5 yr

Not as stable

1degF erroryrGood stability

Linearity Best Moderate Non-linear

Sensitivity High sensitivity Low sensitivity High sensitivity

접촉식 온도센서의 세계시장 동향을 살펴보면1-2) 년 이후 써모커플시장 규모는95

동결내지는 감소하고 있으며 써미스터는 낮은 성장률을 보이고 있는 반면에 백금저

항온도계의 시장은 접촉식 온도센서 중에서 높은 성장률을 보이고 있다 이는 써모

커플의 경우 사용영역은 넓으나 정확도에 문제가 있고 써어미스터의 경우 자기가열

효과가 크고 외부 충격에 의한 손상의 가능성이 높아 수요가 한정되기 때문으로 생

각된다 반면 백금저항 온도센서는 온도정확성 및 신뢰도가 매우 높고 박막형 소자

개발에 따른 단가 하락 및 소형화가 가능하여 수요가 증가했기 때문으로 생각된다

- 9 -

제 절 백금저항 온도센서2

는 등과 같은 금속과 함께 의Pt Ru Rh Pd Os Ir platinum group metal (PGM)

하나로 내식성이 강하며 촉매효과가 크고 다른 금속에 비하여 내산화성이 강한 물

질로 알려져 있다3) 또한 온도에 따른 저항변화의 특성이 직선적인 특성을 가지고

있어 온도센서나 로 사용되고 있다heater 4-5) 표 에 백금의 물리적 특성을 정리2

하였다

표 백금의 물리적 성질 2

백금저항 온도센서는 외부의 온도 변화에 따른 백금의 저항 변화를 이용한 방식으

로 현재 실용화되어 있는 온도 센서 중에서 안정도와 감도가 매우 높아 고정밀의

온도 계측이 가능한 센서이다 또한 기준 접점에 대한 보상회로가 불필요하므로 간

단한 부가회로를 이용하여 온도에 대하여 직선적 출력을 얻을 수 있으며 이에 따

라 센서의 신뢰도가 매우 높은 장점을 갖고 있다6-7) 그림 은 상용화되어 있는 백1

금저항 온도센서를 나타내고 있다

- 10 -

(a) (b) (c)

그림 백금저항 온도센서의 종류 세선가공형 세라믹봉입형 박막형 1 (a) (b) (c)

이제까지 상용화된 백금저항 온도센서는 운모판에 백금선을 감은 운모형 세라믹

튜브내에 백금코일을 넣고 봉입한 세라믹형 및 백금코일을 저융점 유리로 molding

한 유리형이 광범위하게 사용되어 왔다8) 이들 센서는 고순도의 백금선으로 만들어

지기 때문에 기계적 특성 진동 충격 등 이 나쁘며 백금코일제작 및 에 많( ) molding

은 시간이 소요된다 또한 세라믹 봉입형의 경우 센서의 소형화가 어렵고 온도감응

속도가 느리며 생산비가 고가인 단점을 가지고 있다 이러한 단점을 극복하기 위해

최근에는 고도의 박막기술을 이용한 백금박막 온도센서의 개발이 매우 중요하게 되

었다 박막기술을 이용할 경우 온도센서의 소형화 및 신뢰성 향상은 물론이며 생산

비의 절감과 생산성 향상에 따른 경제적 파급효과가 매우 클 것으로 기대되고 있

다 지금까지 개발된 백금박막 온도센서의 경우 접착력과 기판과의 열팽창 계수의

차이에서 발생하는 문제로 인해 기판재료로 알루미나를 주로 사용하여 왔다59-11)

현재 백금박막 온도센서를 상용화한 회사로는 Heraeus Jumo(Germany) Hayashi

등의Denko (Japan) Minco Hycal(USA) Sentek(Taiwan) Xian Diamond(China)

회사가 있다

- 11 -

제 절 백금저항 온도센서 이론3

에 따르면 금속의 저항은 격자산란과 결함에 의한 산란 두가지Matthiessens rule

형태의 산술합으로 나타낼 수 있으며 다음의 식으로 표현된다

p = pi(T) + p

양자역학에 의하면 금속전도체 내에서의 전기전도는 전자에 의한 것임을 알 수 있

다12-14) 이상적인 결정체 격자진동도 존재하지 않는 상태 금속에서의 전도는 에( )

너지 손실 저항 없이 이루어질 수 있다 그러나 실제 금속에서는 격자진동과 결함( )

구조결함 불순물 등 이 존재하며 이들이 전기전도를 방해하는 저항으로 작용한다( )

전도전자가 충돌하기 전까지 진행한 평균길이를 전자의 평균자유행로라 하며(mean

라 하며 일반적으로 평균자유행로가 길수록 전기저항율은 작아짐을 알free path)

수 있다 표 은 금속의 전기저항율과 평균자유행로를 나타내는 표이다 3

표 금속에서의 평균자유행로 저항율 의 값 3 Debye temp 12-14)

격자진동 에 의한 저항은(phonon) pi 로 결함에 의한 저항은 로 나타낼 수 있(T) p

고 재료의 전체 저항율은 위의 로 나타낼 수 있다matthiessenrsquos rule

- 12 -

에서Matthiessens rule pi 는 과 전도전자의 충돌에 의한 저항율의 변화(T) phonon

를 나타내는 것이며 저항온도계의 온도 저항 특성을 결정하는 항이다 이론 Debye

에12) 의하면 pi 는 온도(T) Debye ( = hvθ max 를 기준으로 온도의존성이 다음과 같k)

이 나타나게 된다

pi(T) Tcong n for Tlt n = 5θ

pi(T) T for T gtθcong

표 에 여러 재료의 온도가 나타나 있다 온도 이상의 영역에서3 Debye Debye

에 의한 저항율의 온도의존성은 차 함수에 비례하는 것으로 생각할 수 있phonon 1

다 온도에 따라 저항율이 일정하기 위해서는 의 항이 온도 matthiessenrsquos rule p

의 존성이 없어야 하지만 실제로 Po = Po 값으로 온도의존성을 가지며+ (Tp)

여기에 영향을 미치는 인자는 크게 다음과 같이 나눌 수 있다18)

화학적 요인 조성 불순물 산화 기체의 흡수 등( )

물리적요인 격자결함 구조결함 공극 격자간원자 전위 적층결함 입계 등( )

기계적요인 외력 변형 변위 등( ) (stress) (strain)

온도센서 제조시 온도에 따른 의 제거가 소자의 정밀도 안정성 등을 결정하(Tp)

는 요인이 된다 조성의 경우 타켓의 순도에 의해 결정되므로 공정조절을 통해 조

절할 수는 없지만 가능하면 백금의 증착시에 기초 진공을 낮추어 주는 것이 좋다

(10-6 이하 표 는 불순물 농도에 따른 온도저항변화율을 나타내는 표이다Torr ) 4

표 불순물 농도에 따른 온도저항율 변화 4 18)

불순물 n(times10α -6)(ppm)

Ag 023

Rh 019

Si 027

Ru 018

Fe 078

Au 006

- 13 -

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적4

센서에 대한 연구 개발은 반도체 메모리 및 에너지 산업과 더불어 년대의 핵2000

심 첨단 산업의 하나로서 년대 이후 여러 분야에서 지속적으로 진행되어 오1980

고 있다 특히 초창기의 벌크 또는 후막식 센서에서 최근에는 고감도 및 대량 생산

이 용이한 박막형 센서에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다 박막형 센서는

박막의 특징인 소형화 및 정밀화가 가능하여 그 응용 범위가 제한이 없을 정도로

매우 유망한 분야이다 백금저항 온도센서는 그림 에 나타난 바와 같이 자동차 2

산업체 공정제어용 뿐만 아니라 백색가전 등 일상생활 전 분야에 폭넓게 이용되고

있으며 그 규모가 년 현재 전 세계적으로 약 억 달러에 이르렀으며 그 규모2002 10

가 성장하고 있는 매우 유망한 분야이다 특히 고성능 고정밀도를 갖는 백금박막

온도 센서 시장 규모의 증가는 써미스터나 써머커플의 시장 성장 속도에 비하여 매

무 높은 것으로 알려져 있다1-2)

그림 백금온도센서의 응용분야 2 15)

- 14 -

기존의 백금박막 온도센서 소자는 접착력 등의 문제로 알루미나 기판을 사용하여

제작되고 있다9-1115) 알루미나 기판 위에 원하는 금속박막을 증착한 후 일정한 저

항값을 얻기 위하여 금속박막을 레이저 트리밍 습식 식각 그리고 플라즈마 에칭과

같은 건식 식각을 통해 패턴을 형성하게 된다 알루미나 기판을 사용할 경우 증착

하는 금속박막의 두께가 마이크론 정도의 두께이므로 기판의 표면 거칠기를 정밀하

게 조절하기 위해 기판 표면 가공이 필요하게 된다 또한 표면 가공 후 금속박막의

부착력 증진을 위해 알루미나 기판 표면을 코로나 방전처리를 하기도 한다11) 이러

한 표면가공에는 많은 비용이 소요되어진다 금속박막의 패턴 형성을 위해 사용되

는 레이저 트리밍의 경우 레이저 가공에 의한 소자 열화 문제와 수율 등이 문제시

되며 감광막을 이용한 금속박막의 습식 식각에서는 식각의 진행 정도에 따라 용액

의 농도가 변화하여 식각 속도의 조절에 어려움이 있다 또한 금속 박막의 식각 속

도나 식각 양상에 따라 패턴 선폭이 제한되기도 한다 그림 은 레이저트리밍 이나 3

습식식각 공정을 통하여 제작된 백금 패턴을 보여주고 있다 식각 방법으로 패턴을

제작할 경우에는 가변저항을 만들어주어 패턴 형성 후에 저항을 조절하기도 한

다16) 건식 식각의 경우 비교적 정확하게 패턴을 형성할 수 있으나 금속에 따라서

는 식각된 금속 박막이 에칭 벽면에 달라붙어 정확한 패턴 형성에 어려움이 있으며

고가의 장비를 사용해야하는 단점이 있다17)

레이저 트리밍에 의한 패턴 형성(a)

식각 방법에 의한 패턴 형성(b)

그림 알루미나 기판을 사용한 상용센서의 패턴 형성 방법 3

- 15 -

기판을 사용할 경우 반도체 공정에 공정이 가능하고 가공 등이 용이하Si in-line

며 산화물 박막을 이용한 기능성 소자와 결합된 복합화 센서 를 제(hybride-sensor)

조할 수 있다는 장점을 가지고 있으나 박막과의 부착력이Pt AI2O3 기판에 비하여

크게 떨어지는 단점을 가지고 있다 SiO2 기판과 박막과의 부착력 증진을 위해pt

서는 산화물과 반응성이 좋은 등을 접착층으로 쓰거나Ti Cr 5) 고온 로 표 Plasma

면처리를 하는 방법이 사용되고 있으나 접착증의 사용은 백금박막의 온도선형 계수

를 저하시키고518) 시간에 따른 경시변화를 유발하며 고온 를 사용하는 경plasma

우에는 가격경쟁력과 수율에 문제가 있다

본 과제에서는 이노스텍이 보유하고 있는 기판 위에 백금증착기술과 미세패턴형Si

성 기술을 이용하여 실리콘 기판 위에 절연층을 형성하고 절연층을 식각한 후 금속

박막을 증착하여 패턴을 형성하는 것으로 다음과 같은 장점을 가지고 있다 기판으

로 기존의 알루미나 대신 실리콘 기판을 사용하여 온도센서로 사용할 경우 기판의

열전도가 커서 센서 소자의 응답특성을 향상시킬 수 있다 SiO2 절연층의 식각은

백금박막의 식각에 비하여 선폭 조절이 용이하고 균일도를 향상시킬 수 있으며 기

존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여 까지 선폭을sub-micron

조절할 수 있어 소자의 크기를 획기적으로 작게 할 수 있다 소자 크기의 감소는

응답특성 뿐만 아니라 생산단가를 낮출 수 있는 장점이 있다 또한 실리콘 기판을

사용할 경우 반도체 칩 내부에 온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시 반도체소자

오동작의 주요원인으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계 하여

해결할 수 있는 장점이 있다 또한 백금 박막이 식각된 Si02 표면 안쪽에 증착됨으

로써 후 공정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하여 내구성

을 증진시킬 수 있다

세계 최고의 반도체 단위 공정기술을 가지고 있는 한국에서 실리콘 기판을 사용 하

여 백금박막 온도센서를 제작할 수 있다면 기존 온도센서 시장으로의 진입 및 시

장 선도가 매우 유망 할 수 있다고 판단된다

- 16 -

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표5

최종목표(1) 반도체 공정기술을 이용한 백금박막 온도센서 양산기술 개발

실리콘 기판위에 표준저항 인 온도센서 개발Pt 100 Pt 500 Pt 1000

가 센서용 백금 박막의 증착 및 증착 공정의 최적화 RTD

두께에 따른 온도선형계수 변화(TCR) ㆍ

두께의 균일도는 이내1士ㆍ

미세구조 제어 입자크기에 따른 온도선형 계수 변화 특성( (TCR) )ㆍ

우선배향성에 따른 온도선형계수 변화 특성(TCR) ㆍ

비저항은 이하12 ㆍ μΩ

나 센서용 백금 박막선의 제작을 위한 미세회로 공정의 최적화 RTD

를 제외한 센서소자 크기Pad 22mmㆍ 2 이하

SiOㆍ 2 에칭을 통한 형성 선폭 최대 에서 최소 의 범위를 갖음pattern 100 3

설계된 의 형성에 따른 미세구조 제어patternㆍ

제작된 백금 박막선의 에서의 저항0degC (Rㆍ o 은 선폭 및 길이 또는 공정에 무관하)

게 최대 최소 임1000 100 Ω Ω

제작된 백금 박막선의 온도선형계수 값은 선폭 및 길이 또는 공정에 무관(TCR)ㆍ

하게 정확하게 38510-3 이상 이어야 함

다 소자 평가

및 규격에 따라 센서회로를 설계 제작함KS JIS ㆍ 19-20) 이들 규격에 의하면 제작된

백금 박막선 저항의 양끝에 개의 도선을 접속한 선식 한쪽 끝에 개 다른 한 끝1 2 2

에 개의 토선을 접속한 선식 및 양 끝에 개의 도선을 접속한 선식이 있음1 3 2 4

선식 및 선식은 도선의 저항 효과를 없애기 위한 방식이나 생산성의 저하 우려3 4ㆍ

가 있음 따라서 선식에 의한 회로 구성을 기본으로 선 및 선식을 병행함 2 3 4

선식의 경우 백금 박막선의 저항 값2 (Rㆍ RTD 에 대하여 도선의 저항 값을 충분히)

작게 하여 배 이하 도선의 온도 상승효과를 보상함(100 )

- 17 -

제작된 백금 박막선의 온도 변화에 따른 선형 저항 변화를 유지하기 위한 본딩ㆍ

패드와 도선 접합 저항의 최소화 접촉 저항은 미만( 01 )Ω

온도 구간에서 안정하게 저항 변화를 감지하는 회로 제작-200degC ~ 500degC ㆍ

고정점 에서의 온도 저항의triple point(0degC)- Indium melting point (15659degC)ㆍ

선형성 평가

- 18 -

제 장 기술개발 내용과 방법2

- 19 -

제 장 기술개발 내용과 방법2

제 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목1

표 개발 기술의 평가방법 및 평가항목 5

온도선형계수1

온도선형계수 는 온도센서의 성능을 구별하기 위해 특정온도 구간에서의 평균기(a)

울기로 정의되며 백금의 경우 사이에서의 평균기울기로 정의된다0-100degC 19-20)

DIN22) IEC23) 등 각국의 공업규격에서는 백금측온 저항체의 경우 값으로a

000385degC-1을 규정하고 있다

=(R(100)-R(0))100R(0)α

- 20 -

표준기급 백금저항온도계의 온도변환이나 공업용 저항온도계의 보정 시에는 저항의

절대 값보다 기준온도 에 대한 상대 저항비 가 중요하게 되며 상대 저항비(0degC) (W)

값으로 온도를 계산하게 된다 본 과제에서는 업계 최초로 실리콘 기판을 사용하여

공업규격에 맞는 온도선형성을 갖는 백금박막 온도센서를 개발하고자 하였다 현재

까지 국내에서 개발된 백금박막 온도센서의 경우 온도선형계수는 38510-3 미

만으로 알려져 있다24) 기판을 사용한 경우 층을 중간층으로 사용할 경우Si MgO

값이TCR 38510-3 이상 됨을 보고한 바 있으나 상용화 되거나 일반화 되지는

못하고 있다25))

표준저항2

현재까지 가장 많이 사용되고 있는 백금박막 온도센서으 에서의 표준저항은I 0

이다 이는 지금까지의 알루미나 기판에 과 같은 방법으로 제100 screen printingΩ

작되는 온도센서 제작기술로는 백금박막의 선폭을 하로 제작하기 어려워 소100 ol

자크기에 제한이 따르기 때문이다 최근 들어 사진식각공정이나 레이저 트리밍 기

술의 발전에 따라 선폭의 감소가 이루어져 의 표준저항을 갖는 소자500 1000Ω Ω

의 상용화가 시작되고 있다 표준저항이 클수록 온도 변화에 따른 저항변화가 커서

온도분해능이 증가하는 장점이 있다 본 과제에서는 실리콘 기판에 산화막을 형성

하고 산화막에칭을 통해 선폭을 조절하므로 선폭의 조절이 까지 가능sub-micron

하여 표준저항을 용이하게 증가시킬 수 있으나 선폭저하에 따른 물성저하 등을 고

려하여 본 과제에서는 우선 표준저항 을 목표로 패턴을 디자인 하였100 1000Ω Ω

다

선폭3

선폭은 크게 두가지 측면에서 중요한 인자가 된다 선폭이 감소하면 아래 식에서

저항값을 증가시킬 수 있어 표준저항을 높이거나 같은 표준저항에서 소자크기를 작

게 할 수 있다

R = p(LA) ----------(a)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

- 21 -

그러나 선폭이 너무 작아지면 박막의 두께에 의한 효과와 같이 비저항의 감소가 있

을 수 있다5) 본 과제에서는 선폭을 로 변화시켜 본 과제에서 개2 5 10 50

발된 백금박막 증착공정의 적용여부와 온도선형계수를 조사하였다

소자크기4

소자크기는 응답속도와 직접적인 관계를 갖는다 응답속도의 경우 온도센서의 분해

능 안정도 재현성 등과 더불어 온도센서를 평가하는 중요항목 중의 하나이다 일

반적으로 시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된632

다 온도센서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름

속도에 따라 달라지며 다음과 같은 식으로 알려져 있다 826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 열전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정 A

수 값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기뿐만 아니라 기판재료로 열전도가

알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므로 시정(25WmK) (148WmK)

수가 개선될 것으로 생각된다27)

온도안정성5

온도센서 특성중의 하나인 온도안정성은 의 국제규격에 따라 두 가지IEC751 type

으로 정의된다23)

Class A = (015+0002t)士

온도Class B = (030+0003t) t土

- 22 -

대부분의 박막타입의 경우 가 적용되고 있다 본 과제에서 적용된 백금 박class B

막의 경우 상온 증착 후 후열처리를 통해 백금의 입자크기가 의 크기를 갖mm~cm

는 단결정 입자로 구성되어 온도변화에 따른 특성이 매우 양호한hysteresis loop

특성을 가지고 있다 이러한 온도안정성에 영향을 미치는 요인으로는 흡착가스의

영향 백금입자의 입자성장 기판과의 열팽창 계수 차이에서 오는 응력 등이 주요

원인이 된다18) 상기평가항목의 평가 에 맞는 온도센서를 제작하기 위하여 증spec

착공정의 개발 패턴형성공정 개발 및 소자평가등 각각의 항목에 대한 세부내역은

제 절에 나타내었다2

- 23 -

제 절 백금박막 증착공정의 개발2

그림 는 본 과제에 사용된 기의 개략도를 나타내는 그림이다 진공시스4 sputtering

템은 와 로 구성되었으며rotary turbo pump 10-3 까지는 를 사Torr rotary pump

용하고 그 이후는 와 를 사용하여rotary turbo pump 3010-6 까지 반응실의Torr

진공을 유지 할 수 있도록 설계되었다 스퍼터 방식은 하향식이며 기판온도는 SiC

를 이용하여 까지 조절할 수 있다 균일한 증착을 위해 기판의 회전수heater 700

는 으로 조정가능하며 플라즈마 가스는 아르곤을 사용하였다 증착효율을1-20rpm

높이기 위해 타게트 뒷 부위에 영구자석을 설치한 방식을magnetron sputtering

채택하였다 가스압 조절을 위해 사의 사 MKS Baratron gauge Granville-phillips

의 를 사용하였으며 를 이용하여 가스의 유량을 조절vacuum gauge controller MFC

하였다 증착속도와 증착두께는 사의 Sycon Instruments STM-100MF

와 사의 을 이용하여 실측두께와 표시두께를thicknessrate monitor Tencor -stepα

보정하여 측정하였다

그림 본 과제에서 사용된 스퍼터링 시스템의 모식도4

- 24 -

일반적으로 스퍼터링에 사용되는 가스는 타게트 물질과의 반응을 방지하기 위하여

불활성 가스 를 사용한다 금속 타게트와 플라즈마 가스와의 반응을 이(Ar Kr Xe)

용한 에서는 반응가스로reactive sputtering O2를 첨가하기도 한다28) 본 연구에서

는 스퍼터링 가스로 아르곤과 아르곤 산소 가지를 사용하였으며 기판온도는 상온+ 2

으로 고정 시켰다 가스압은 증착 는 증착된 백금 1-22 mTorr power 100-250W

박막의 비저항은 를 이용하여 면저항을 측정한 후 을 이용하4 point probe -stepα

여 측정한 두께를 곱하여 구하였다 기판으로 사용된 실리콘 웨이퍼는 thermal

법으로 의oxidation 15 SiO 2 산화막이 증착된 이다P-type Si(100)

박막증착1

증착은 기판온도 가스압력 증착 뿐만 아니라 챔버의Sputtering power geometry

도 중요한 변수 중의 하나이다 예비 실험결과 아르곤만을 가지고 제작한 온도센서

는 기판과의 부착력이 나쁘고 온도선형성이나 온도저항계수 등 제반 사항이 온도센

서 제작에는 맞지 않은 것으로 판명되었다 또한 본 과제에서 기판과의 열팽창 계

수 차이에서 오는 온도저항계수의 저하를 백금미세구조 제어로 해결하고자 하였다

즉 백금박막의 거대입성장을 유도하여 거대입자로 구성된 온도센서를 제작하였다

거대입성장을 얻기 위한 공정은 기존의 실험결과를 바탕으로 다음과 같은 최적 조

건에서 박막을 증착하였다

표 온도센서 제작을 위한 백금박막의 최적 증착조건6

기판온도 가스비 아르곤 산소( ) 증착압력 증착power 비고

상온 1915(SCCM) 5 mTorr 170W

- 25 -

증착박막의 열처리2

증착된 박막의 열처리는 일반적인 전기로를 사용하였으며 공기중에서 600~1200

영역에서 한 시간 동안 열처리 하였다 열처리 조건에 따른 의 변화에 대한 많 TCR

은 보고가 있으나 본 실험에서는 한 시간으로 고정하였다24-2529) 이는 본 과제에

적용된 거대입성장 백금박막의 경우 시간에 따른 미세구조나 물성 차이를 보이지

않기 때문이었다 또한 백금증착시 산소를 점가하는 경우 백금산화물이 형성되거나

비저항 값이 증가하므로 열처리를 통해 증착 중 첨가된 산소를 박막외부로 확산시

켜야 한다 백금산화물의 경우 반도체 산화물로서 온도저항계수가 음의 값을 갖는

다2430-33) 이러한 산소의 탈착거동을 알아보기 위해 미소열량계를 이용하여 산소의

탈착거동을 관찰하였으며 소광계수의 변화 등을 관찰하였다 소광계수 측정을 위한

박막의 열처리는 진공분위기 에서 써머커플을 기판에 접촉시켜 측정하였(50 mTorr)

다

박막의 물성 측정3

두께 및 비저항 측정3-1

박막의 두께는 사의 을 이용하여 측정하였다 시편에 를 내Tencor -step scratchα

서 박막이 일부를 제거한 후 그 단차를 측정하여 두께를 측정한 후 4-point probe

로 측정한 면저항 값을 곱하여 비저항 값을 얻었다

미세구조 관찰3-2

박막의 입자크기는 이하이므로AS-depo 1000 TEM(Transmission ElectronÅ

관찰을 하였다 슬라이드에 시편을 붙이고 사포를 이용하여 이하Microscopy) 80

까지 연마한 후 하였다 한 시편을 직경 의 에 부착시dimpling dimpling 3 Cu grid

켜 을 하며 이 과정에서 입자충돌에 따른 국부적인 온도상승에 의한 박ion milling

막의 미세구조 변화를 막기 위해 액체질소를 이용하여 냉각하였다 열처리이후에는

를 이용하여 미세구조를 관찰하였다 거대입SEM(Scanning Electron Microscope)

성장의 관찰을 위해서는 광학현미경을 이용하여 입계를 관찰한 후 으로 보다SEM

자세한 입계면과 미세구조를 관찰하였다

결정성 분석3-3

박막의 결정성과 백금산화물의 상형성을 알아보기 위해 정도의 시편을 만1 x1

들어 사의 선 회절기로 을 얻었다 는MAC science X XRD pattern X-ray Cu Ka line

을 사용하였다( =15405 ) λ Å

- 26 -

첨가가스의 탈착 거동3-4

산소가스의 탈착 거동은 미세 열량분석계 와 를 이용하였다(DTA) ellipsometer DTA

는 반응생성물에 따라 계에 출입하는 미세 열량변화를 측정하여 계의 화학 반응온

도 등을 측정할 수 있는 측정 장비이다 는 특수한 광도계 Ellipsometer (

의 하나이며 빛의 편광상태의 변화를 측정하여 표면 및 박막의 구조와photometry)

물성 물질의 광특성 등을 연구하는데 사용되는 정밀 측정 기기이다

시료의 물성과 구조에 따라 반사 또는 투과광의 편광상태는 예민하게 변하므로 편

광상태 변화의 측정 및 분석을 통하여 시료의 물성과 구조에 대한 정보를 정밀하게

얻을 수 있어서 반도체 산업에서 산화막의 두께 및 두께 분포의 측정을 포함하여

박막 등의 분석에 널리 이용되고 있다

최근 반도체 광학재료의 제조 공정에 있어서 공정 제어를 위한 실시간 측정의 필

요성이 증대되고 있다 이에 따라 시료의 표면 상태와 박막의 구조 해석에 뛰어난

능력이 인정된 타원해석기를 이용하는 사례가 증가하고 있다

는 크게 나누어 와 단파장Ellipsometer spectroscopic ellipsometer(SE)

로 나눌 수 있는데 는 구조가 복잡하거나 물성이 알려져 있지 않은ellipsometer SE

시료의 기계적 두께 전자적 흡수단 구조 해석에 유리하지만 증착 에칭 열처리( ) ( )

표면반응 등의 공정 관측에는 거의 연속적인 데이터 획득이 유리한 단파장 타원해

석기가 널이 이용되고 있다 본 과제에서는 반사된 광원의 와 를 측정하 tan cosψ

여 굴절율 과 소광계수 값을 측정하였다(n) (k)

- 27 -

제 절 패턴 제작 공정의 개발3

일반적으로 금속의 저항은 다음의 식으로 표시된다

R = p(LA) -------------- (A)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 단면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

금속의 저항은 위와 같은 형태학적인 변수 외에 온도 등에도 의존하게 되는데 Pt

등의 경우 이러한 금속의 저항이 온도에 대해 선형적으로 증가하는 특Ni Cu W

성을 가지고 있다 이러한 온도저항 특성을 이용하여 주변의 온도를 감지하는 측온

저항체 온도센서로 많이 사용되고 있다 이러한 온도센서는 주변 온도에 대하여 다

음의 관계식을 갖는다

R(T) = R0 + TR0

온도 에서의 저항R(T) T Ro 기준점 에서의 저항 온도선형계수 측정온 (O ) T α

도

물질에 따라 온도선형계수 는 정해져 있으며 형태변수식 에 의한 금속의 저( ) (A)α

항 값이 높을수록 온도변화에 대한 저항변화 값이 증가하여 정확한 온도를 측정할

수 있다 소자의 경향에 따라 작은 크기의 미세소자로 원하는 기능을 輕薄短小化

얻고자 하는 것이 기술적인 경향이다 따라서 박막 기술을 이용한 금속 박막 온도

센서의 제작이 활발히 이루어지고 있으며 일부 제품의 경우 제품화되어 사용되고

있다 금속의 종류에 따라 특성을 나타내기 위한 최소의 박막 두께가 정해지 bulk

며 일정 두께 이하에서는 특성을 나타내지 못하게 된다 따라서 안정한 소자bulk

를 얻기 위해서는 일정 두께 이상의 박막두께가 필요하게 된다5) 백금저항소자의

경우 마이크로미터 이상의 두께가 필요한 것으로 알려져 있다 박막의 두께가10

일정할 때 저항 값의 조절은 패턴의 선폭에 의하여 조절되게 된다 이러한 선폭을

조절하기 위하여 기존에 사용되는 방법은 레이저트리밍 습식 식각 건식 식각 등의

방법이 사용된다 선폭의 조절이나 소자의 열화와 같은 문제가 발생할 수 있다

- 28 -

본 과제에서는 박막형 온도센서 제작에 있어 실리콘 기판위에 절연층의 식각을 통

해 원하는 패턴을 미리 형성하고 금속을 증착하여 온도센서를 제조함으로써 백금박

막의 저항조절을 용이하게 하고 소자의 내구성 향상과 소자크기를 소형화한 온도센

서를 제작하고자 하였다 그림 는 본 과제의 온도센서 제조공정을 나타내는 그림 5

이다 공정의 용이성에 따라 절연막 코팅을 패드보호막 형성 이후에 진행할 수도

있다

그림 당 과제에서 개발한 매립형 백금박막 온도센서 제조공정 모식도 5

- 29 -

제 절 소자 평가4

백금저항 온도센서의 여러 가지 물성 측정은 규정에 따른다KS C 1603-1991 19)

이에 따르면 온도특성 전기적 특성 기계적 특성에 대한 측정으로 크게 구별 될 수

있다 온도특성에는 온도에 대한 허용오차 안정도 자기 가열특성 등이 있으며 전

기적 특성에는 절연저항 내전압 등이 있고 기계적 특성으로는 내충격성과 내진동

성 등의 세부 항목들이 있으며 각각의 특성치를 시험하기 위한 방법이 규정되어 있

다

국제온도눈금 규격 에(ITS-1990 The International Temperature Scale of 1990)

의하면 평형수소의 삼중점 부터 은의 응고점 까지의 영역에서는(138033K) (96178)

에서 정의된 고정점들 사이를 내삽해 주는 기준함수 및 편차함수를 사용ITS-1990

하여 교정된 백금저항온도계에 의해 정의되도록 하고 있다 따라서 온도센서의 검

교정은 사용영역 내에서의 고정점들과 표준온도계의 온도저항 특성을 비교함으로써

얻을 수 있다 본 과제에서는 제작된 온도센서 및 상용센서의 평가를 위해 한국표

준과학연구원의 온도연구실에 있는 장비를 이용하였다 리드선의 저항오차를 최대

한 줄이기 위해 선 결선 방법을 택하였으며 리드선으로 직경 의 백금 선4 02 mm

을 사용하였다 물의 삼중점 주석의 녹는점 아연의 녹는점 등의 고정점 개와 항 3

온조를 이용한 50~ 도 사이의 온도 범위에서 측정점을 정하여 백금표준온도450

저항값과 제작된 온도센서의 저항값을 측정하여 온도선형계수 및 고온에서의 허용

오차 등을 측정하였다 측정조건은 를 사용하여 규정전류 HP 3458 multimeter 1mA

를 회로상에 흐르도록 구성한 뒤 저항값을 소수 째 자리까지 측정하여 유효 숫자4

는 소수 자리까지 사용하였다 일정한 온도를 얻기 위하여 사용되는 항온조는 온3

도영역에 따라 이하의 저온 영역은 알콜 영역에서는 에틸렌 글리0 0~100

콜 은 실리콘 오일을 사용하였으며 원하는 온도에 이른 후 평형을 100~200

위하여 분 이상 기다린 다음 표준저항기와 온도센서의 저항값을 각각 회씩 측30 3

정하여 평균값을 취하였다

- 30 -

에서는 저항기의 기준값으로 를 물의 삼중점 의 저ITS-1990 R (27316K=001 )

항 값으로 취하고 있다 정점의 실현은 녹는점 또는 어는점에서 잠열의 출입과 관

계없이 일정한 온도를 유지하는 특성을 이용한 것으로 녹는점 부근에서의 열량 조

절이 매우 중요하다 주석과 아연의 녹는점 실현을 위한 로는 석영관 내부에 주석

과 아연이 들어 있는 가 있고 표준저항기와 측정하고자 하는 온도센서thermal bath

가 들어가 있는 작은 석영관으로 이루어진 이중 구조로 되어있다 녹는점의 실현

을 위해서는 정밀한 저항 조절을 통한 온도제어가 필요하다 이를 위해 사용되는

기기로는 등이 사용되는데 이는current comparator resistance bridge 10-7 ohm

정도의 저항 조절이 가능한 장비이며 이를 온도로 환산하면 정도의 고정001mK

밀도를 가진다

- 31 -

제 장 기술개발결과3

- 32 -

제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금 박막의 필요성1

백금 박막은 백금 자체의 온도 저항 특성을 이용한 온도센서 및 로서의 응용 heater

과 촉매로서의 활용도 활발하게 이루어지고 있다 박막온도센서로의 응용을 위해서

는 온도변화에 따른 저항 변화계수(Temperature Coefficient of Resistance TCR)

가 중요한데 규정값(38510-3 이상의 을 얻기 위해서는 백금의 두께가 ) TCR 1

이상이 되어야 한다고 알려져 있다 5) 그림 은 백금박막의 두께에 따른 의6 TCR

변화를 나타내는 그림이다 은 두께뿐만 아니라 백금 박막의 미세구조 불순물 TCR

기판의 열팽창 계수 등 여러 가지 요인에 의존한다 이러한 여러 변수 중 두께 및

미세구조 조절은 순도와 함께 최적의 온도 저항 계수를 위한 중요 변수로 작용하는

것으로 알려져 있다18-20)

그림 두께에 따른 온도저항계수의 변화 6 5)

실리콘 기판 위의 백금증착은 앞서 설명한 바와 같이 열팽창 계수의 차이 부착력

문제 등으로 원하는 을 얻기 어렵다 백금의 열팽창 계수는TCR 8910-6 로 경우degc

실리콘에(2610-6 비해 높은 값을 가지며 온도 에서 다음과 같은 저항체 길degC) T

이의 변화를 유발하게 된다

- 33 -

L(T)=L(o)(1+ (Tα t-To)

백금과 기판의 열팽창 계수 차이 온도 Tα

특히 기판의 열팽창 계수가 작으면 백금저항의 감소를 유발하게 되어 저하의 TCR

원인이 된다 따라서 기존 상용제품의 경우 대부분이 백금과 열팽창 계수 차이가

없고 부착력이 좋은 알루미나를 기판재료로 사용하고 있다 본 과제의 거대 입성장

된 백금박막은 이러한 열팽창 계수의 차이에서 오는 부의 효과를 미세구조의 조절

을 통해 극복하고자 하였다

에 영향을 미치는 접착증을 사용하지 않으면서 백금박막의 접착력 증진을 위TCR

한 방법은 기존의 이노스텍 특허 기술을 이용하여 증착할 수 있다36) 이 경우 백금

박막의 미세구조는 그림 과 같이 일반적인 구조의 백금박막을 얻을 수7 columnar

있다 그러나 이 경우 은 TCR 38010-3 정도로 온도센서로 사용가능한 규격 인

38010-3 에 크게 못 미침을 예비 실험을 통하여 알 수 있었다

그림 일반적인 백금박막의 미세구조를 나타내는 전자 현미경 사진 7

- 34 -

또한 승온과 냉각과정에서 같은 온도에서의 저항값이 서로 다른 특성을hysteresis

나타내었다 이는 온도의 상승에 따라 열팽창계수의 차이에 의한 응력이나 접착력

변화에서 기인되는 문제로 생각되었다 백금 박막의 미세구조를 단결정에 가깝게

제작할 수 있다면 입계면에서의 에 기인하는 저항변화 를 제거 할 수scatting factor

있다 본 과제에서는 이를 위하여 백금의 거대입성장 현상을 이용하여 두께 에 1

서 수 의 입자크기를 갖는 백금박막을 온도센서 소자로 사용하였다 거대입mm~cm

성장 박막의 증착 조건 등은 표 에 표시하였다6

- 35 -

거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

- 36 -

그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

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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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 4 -

기술개발의 내용 및 범위3

본 과제를 통해 이노스텍 주 에서 개발한 백금 박막 미세구조 조절기술과 반도체( )

단위공정 기술 식각기술 이용하여 초소형 백금박막 온도센서 소자의 양산기술을( )

개발하였다 산업공정 자동화에 핵심소자인 온도센서 양산기술로 SiO2 에칭을 통

한 상감법 패턴 제조방법을 택하였다 온도센서에 적합한 거대 입성장 백금박막

증착기술을 개발하였으며 미세구조 조절기술 기존 제품에 비하여 소자크기를 줄( )

일 수 있는 표준저항 인 고정밀 온도 센서를 개발하였다100 1000 ohm

기술개발 결과4

특허 출원 국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법ldquo rdquo

출원일 년 월 일 출원번호 2002 2 22 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법ldquo rdquo

출원일 년 월 일 출원번호 호 2001 7 30 09918296

일본특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법ldquo rdquo

출원일 년 월 일 출원번호 2001 7 31 2001-231801

기대효과5

산업계에 사용되고 있는 백금온도센서는 현재 전량 수입에 의존하고 있다 기존

제품은 권선형이나 알루미나 기판 위에 증착된 것으로 기판 가공 및 백금패턴

형성에 많은 비용이 소모된다 본 과제에서 제안된 기술을 이용한 양산화 공정

개발에 성공할 경우 기존 제품에 비하여 우수한 응답특성 및 소형화 및 가격 경

쟁력을 갖춘 백금박막 온도센서로 세계시장에 진출할 수 있다 또한 본 과제에서

획득된 기술은 박막형 나 온도보정용 생산 기술에도 활용될 수 있을heater wafer

것으로 생각된다

- 5 -

목 차

제 장 서 론1

제 절 온도센서의 종류1

제 절 백금저항 온도센서2

제 절 백금저항 온도센서 이론3

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적4

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발목표5

제 장 기술개발 내용과 방법2

제 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목1

온도선형계수1

표준저항2

선폭3

소자크기4

온도안정성5

제 절 백금박막 증착공정의 개발2

박막증착1

증착박막의 열리2

박막의 물성 측정3

두께 및 비저항 측정3-1

미세구조 관찰3-2

결정성 분석3-3

첨가가스의 탈착거동3-4

제 절 패턴 제작 공정의 개발3

제 절 소자 평가4

제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금박막의 필요성1

- 6 -

거대입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

미세구조의 변화2-2

두께에 따른 변화2-3 TCR

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

리드선 부착3

패드보호막 부착4

절연막 코팅5

제작된 백금박막 온도센서6

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항특성2-1

특성2-2 Hysterisis

시정수 특성2-3

자기발열 특성2-4

제 장 결론 및 기대효과4

제 장 참고 문헌5

- 7 -

제 장 서 론1

- 8 -

제 장 서 론1

제 절 온도센서의 종류1

온도센서는 크게 접촉식과 비접촉식으로 나뉠 수 있으며 비접촉식 센서는 주로 측

정하고자하는 부위에서 발생하는 열파장을 측정하는 방식으로 주로 산업 또는 연

구의 목적으로 이용되어 진다 일반적으로 산업 및 일상생활에서 이용되는 것은 접

촉식 온도 센서로 이에 해당하는 것으로는 열전대식 써미스터(Thermocouple)

및 측온저항체 온도센(Thermistor) (Resistance temperature detector RTD) IC

서 등이 있다 표 은 접촉식 온도센서의 종류에 따른 특성을 나타내는 표이다 1

표 접촉식 온도센서 종류에 따른 제반 특성 1

RTD

백금저항온도센서( )Thermocouple Thermistor

Temperature

Range-200 ~850

-190 ~

18210 ~ 300

Accuracy plusmn0001degF to 01degF plusmn1degF to 10degF High

Response Time Moderate Fast Fast

StabilityStable over long periods

lt01 error5 yr

Not as stable

1degF erroryrGood stability

Linearity Best Moderate Non-linear

Sensitivity High sensitivity Low sensitivity High sensitivity

접촉식 온도센서의 세계시장 동향을 살펴보면1-2) 년 이후 써모커플시장 규모는95

동결내지는 감소하고 있으며 써미스터는 낮은 성장률을 보이고 있는 반면에 백금저

항온도계의 시장은 접촉식 온도센서 중에서 높은 성장률을 보이고 있다 이는 써모

커플의 경우 사용영역은 넓으나 정확도에 문제가 있고 써어미스터의 경우 자기가열

효과가 크고 외부 충격에 의한 손상의 가능성이 높아 수요가 한정되기 때문으로 생

각된다 반면 백금저항 온도센서는 온도정확성 및 신뢰도가 매우 높고 박막형 소자

개발에 따른 단가 하락 및 소형화가 가능하여 수요가 증가했기 때문으로 생각된다

- 9 -

제 절 백금저항 온도센서2

는 등과 같은 금속과 함께 의Pt Ru Rh Pd Os Ir platinum group metal (PGM)

하나로 내식성이 강하며 촉매효과가 크고 다른 금속에 비하여 내산화성이 강한 물

질로 알려져 있다3) 또한 온도에 따른 저항변화의 특성이 직선적인 특성을 가지고

있어 온도센서나 로 사용되고 있다heater 4-5) 표 에 백금의 물리적 특성을 정리2

하였다

표 백금의 물리적 성질 2

백금저항 온도센서는 외부의 온도 변화에 따른 백금의 저항 변화를 이용한 방식으

로 현재 실용화되어 있는 온도 센서 중에서 안정도와 감도가 매우 높아 고정밀의

온도 계측이 가능한 센서이다 또한 기준 접점에 대한 보상회로가 불필요하므로 간

단한 부가회로를 이용하여 온도에 대하여 직선적 출력을 얻을 수 있으며 이에 따

라 센서의 신뢰도가 매우 높은 장점을 갖고 있다6-7) 그림 은 상용화되어 있는 백1

금저항 온도센서를 나타내고 있다

- 10 -

(a) (b) (c)

그림 백금저항 온도센서의 종류 세선가공형 세라믹봉입형 박막형 1 (a) (b) (c)

이제까지 상용화된 백금저항 온도센서는 운모판에 백금선을 감은 운모형 세라믹

튜브내에 백금코일을 넣고 봉입한 세라믹형 및 백금코일을 저융점 유리로 molding

한 유리형이 광범위하게 사용되어 왔다8) 이들 센서는 고순도의 백금선으로 만들어

지기 때문에 기계적 특성 진동 충격 등 이 나쁘며 백금코일제작 및 에 많( ) molding

은 시간이 소요된다 또한 세라믹 봉입형의 경우 센서의 소형화가 어렵고 온도감응

속도가 느리며 생산비가 고가인 단점을 가지고 있다 이러한 단점을 극복하기 위해

최근에는 고도의 박막기술을 이용한 백금박막 온도센서의 개발이 매우 중요하게 되

었다 박막기술을 이용할 경우 온도센서의 소형화 및 신뢰성 향상은 물론이며 생산

비의 절감과 생산성 향상에 따른 경제적 파급효과가 매우 클 것으로 기대되고 있

다 지금까지 개발된 백금박막 온도센서의 경우 접착력과 기판과의 열팽창 계수의

차이에서 발생하는 문제로 인해 기판재료로 알루미나를 주로 사용하여 왔다59-11)

현재 백금박막 온도센서를 상용화한 회사로는 Heraeus Jumo(Germany) Hayashi

등의Denko (Japan) Minco Hycal(USA) Sentek(Taiwan) Xian Diamond(China)

회사가 있다

- 11 -

제 절 백금저항 온도센서 이론3

에 따르면 금속의 저항은 격자산란과 결함에 의한 산란 두가지Matthiessens rule

형태의 산술합으로 나타낼 수 있으며 다음의 식으로 표현된다

p = pi(T) + p

양자역학에 의하면 금속전도체 내에서의 전기전도는 전자에 의한 것임을 알 수 있

다12-14) 이상적인 결정체 격자진동도 존재하지 않는 상태 금속에서의 전도는 에( )

너지 손실 저항 없이 이루어질 수 있다 그러나 실제 금속에서는 격자진동과 결함( )

구조결함 불순물 등 이 존재하며 이들이 전기전도를 방해하는 저항으로 작용한다( )

전도전자가 충돌하기 전까지 진행한 평균길이를 전자의 평균자유행로라 하며(mean

라 하며 일반적으로 평균자유행로가 길수록 전기저항율은 작아짐을 알free path)

수 있다 표 은 금속의 전기저항율과 평균자유행로를 나타내는 표이다 3

표 금속에서의 평균자유행로 저항율 의 값 3 Debye temp 12-14)

격자진동 에 의한 저항은(phonon) pi 로 결함에 의한 저항은 로 나타낼 수 있(T) p

고 재료의 전체 저항율은 위의 로 나타낼 수 있다matthiessenrsquos rule

- 12 -

에서Matthiessens rule pi 는 과 전도전자의 충돌에 의한 저항율의 변화(T) phonon

를 나타내는 것이며 저항온도계의 온도 저항 특성을 결정하는 항이다 이론 Debye

에12) 의하면 pi 는 온도(T) Debye ( = hvθ max 를 기준으로 온도의존성이 다음과 같k)

이 나타나게 된다

pi(T) Tcong n for Tlt n = 5θ

pi(T) T for T gtθcong

표 에 여러 재료의 온도가 나타나 있다 온도 이상의 영역에서3 Debye Debye

에 의한 저항율의 온도의존성은 차 함수에 비례하는 것으로 생각할 수 있phonon 1

다 온도에 따라 저항율이 일정하기 위해서는 의 항이 온도 matthiessenrsquos rule p

의 존성이 없어야 하지만 실제로 Po = Po 값으로 온도의존성을 가지며+ (Tp)

여기에 영향을 미치는 인자는 크게 다음과 같이 나눌 수 있다18)

화학적 요인 조성 불순물 산화 기체의 흡수 등( )

물리적요인 격자결함 구조결함 공극 격자간원자 전위 적층결함 입계 등( )

기계적요인 외력 변형 변위 등( ) (stress) (strain)

온도센서 제조시 온도에 따른 의 제거가 소자의 정밀도 안정성 등을 결정하(Tp)

는 요인이 된다 조성의 경우 타켓의 순도에 의해 결정되므로 공정조절을 통해 조

절할 수는 없지만 가능하면 백금의 증착시에 기초 진공을 낮추어 주는 것이 좋다

(10-6 이하 표 는 불순물 농도에 따른 온도저항변화율을 나타내는 표이다Torr ) 4

표 불순물 농도에 따른 온도저항율 변화 4 18)

불순물 n(times10α -6)(ppm)

Ag 023

Rh 019

Si 027

Ru 018

Fe 078

Au 006

- 13 -

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적4

센서에 대한 연구 개발은 반도체 메모리 및 에너지 산업과 더불어 년대의 핵2000

심 첨단 산업의 하나로서 년대 이후 여러 분야에서 지속적으로 진행되어 오1980

고 있다 특히 초창기의 벌크 또는 후막식 센서에서 최근에는 고감도 및 대량 생산

이 용이한 박막형 센서에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다 박막형 센서는

박막의 특징인 소형화 및 정밀화가 가능하여 그 응용 범위가 제한이 없을 정도로

매우 유망한 분야이다 백금저항 온도센서는 그림 에 나타난 바와 같이 자동차 2

산업체 공정제어용 뿐만 아니라 백색가전 등 일상생활 전 분야에 폭넓게 이용되고

있으며 그 규모가 년 현재 전 세계적으로 약 억 달러에 이르렀으며 그 규모2002 10

가 성장하고 있는 매우 유망한 분야이다 특히 고성능 고정밀도를 갖는 백금박막

온도 센서 시장 규모의 증가는 써미스터나 써머커플의 시장 성장 속도에 비하여 매

무 높은 것으로 알려져 있다1-2)

그림 백금온도센서의 응용분야 2 15)

- 14 -

기존의 백금박막 온도센서 소자는 접착력 등의 문제로 알루미나 기판을 사용하여

제작되고 있다9-1115) 알루미나 기판 위에 원하는 금속박막을 증착한 후 일정한 저

항값을 얻기 위하여 금속박막을 레이저 트리밍 습식 식각 그리고 플라즈마 에칭과

같은 건식 식각을 통해 패턴을 형성하게 된다 알루미나 기판을 사용할 경우 증착

하는 금속박막의 두께가 마이크론 정도의 두께이므로 기판의 표면 거칠기를 정밀하

게 조절하기 위해 기판 표면 가공이 필요하게 된다 또한 표면 가공 후 금속박막의

부착력 증진을 위해 알루미나 기판 표면을 코로나 방전처리를 하기도 한다11) 이러

한 표면가공에는 많은 비용이 소요되어진다 금속박막의 패턴 형성을 위해 사용되

는 레이저 트리밍의 경우 레이저 가공에 의한 소자 열화 문제와 수율 등이 문제시

되며 감광막을 이용한 금속박막의 습식 식각에서는 식각의 진행 정도에 따라 용액

의 농도가 변화하여 식각 속도의 조절에 어려움이 있다 또한 금속 박막의 식각 속

도나 식각 양상에 따라 패턴 선폭이 제한되기도 한다 그림 은 레이저트리밍 이나 3

습식식각 공정을 통하여 제작된 백금 패턴을 보여주고 있다 식각 방법으로 패턴을

제작할 경우에는 가변저항을 만들어주어 패턴 형성 후에 저항을 조절하기도 한

다16) 건식 식각의 경우 비교적 정확하게 패턴을 형성할 수 있으나 금속에 따라서

는 식각된 금속 박막이 에칭 벽면에 달라붙어 정확한 패턴 형성에 어려움이 있으며

고가의 장비를 사용해야하는 단점이 있다17)

레이저 트리밍에 의한 패턴 형성(a)

식각 방법에 의한 패턴 형성(b)

그림 알루미나 기판을 사용한 상용센서의 패턴 형성 방법 3

- 15 -

기판을 사용할 경우 반도체 공정에 공정이 가능하고 가공 등이 용이하Si in-line

며 산화물 박막을 이용한 기능성 소자와 결합된 복합화 센서 를 제(hybride-sensor)

조할 수 있다는 장점을 가지고 있으나 박막과의 부착력이Pt AI2O3 기판에 비하여

크게 떨어지는 단점을 가지고 있다 SiO2 기판과 박막과의 부착력 증진을 위해pt

서는 산화물과 반응성이 좋은 등을 접착층으로 쓰거나Ti Cr 5) 고온 로 표 Plasma

면처리를 하는 방법이 사용되고 있으나 접착증의 사용은 백금박막의 온도선형 계수

를 저하시키고518) 시간에 따른 경시변화를 유발하며 고온 를 사용하는 경plasma

우에는 가격경쟁력과 수율에 문제가 있다

본 과제에서는 이노스텍이 보유하고 있는 기판 위에 백금증착기술과 미세패턴형Si

성 기술을 이용하여 실리콘 기판 위에 절연층을 형성하고 절연층을 식각한 후 금속

박막을 증착하여 패턴을 형성하는 것으로 다음과 같은 장점을 가지고 있다 기판으

로 기존의 알루미나 대신 실리콘 기판을 사용하여 온도센서로 사용할 경우 기판의

열전도가 커서 센서 소자의 응답특성을 향상시킬 수 있다 SiO2 절연층의 식각은

백금박막의 식각에 비하여 선폭 조절이 용이하고 균일도를 향상시킬 수 있으며 기

존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여 까지 선폭을sub-micron

조절할 수 있어 소자의 크기를 획기적으로 작게 할 수 있다 소자 크기의 감소는

응답특성 뿐만 아니라 생산단가를 낮출 수 있는 장점이 있다 또한 실리콘 기판을

사용할 경우 반도체 칩 내부에 온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시 반도체소자

오동작의 주요원인으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계 하여

해결할 수 있는 장점이 있다 또한 백금 박막이 식각된 Si02 표면 안쪽에 증착됨으

로써 후 공정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하여 내구성

을 증진시킬 수 있다

세계 최고의 반도체 단위 공정기술을 가지고 있는 한국에서 실리콘 기판을 사용 하

여 백금박막 온도센서를 제작할 수 있다면 기존 온도센서 시장으로의 진입 및 시

장 선도가 매우 유망 할 수 있다고 판단된다

- 16 -

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표5

최종목표(1) 반도체 공정기술을 이용한 백금박막 온도센서 양산기술 개발

실리콘 기판위에 표준저항 인 온도센서 개발Pt 100 Pt 500 Pt 1000

가 센서용 백금 박막의 증착 및 증착 공정의 최적화 RTD

두께에 따른 온도선형계수 변화(TCR) ㆍ

두께의 균일도는 이내1士ㆍ

미세구조 제어 입자크기에 따른 온도선형 계수 변화 특성( (TCR) )ㆍ

우선배향성에 따른 온도선형계수 변화 특성(TCR) ㆍ

비저항은 이하12 ㆍ μΩ

나 센서용 백금 박막선의 제작을 위한 미세회로 공정의 최적화 RTD

를 제외한 센서소자 크기Pad 22mmㆍ 2 이하

SiOㆍ 2 에칭을 통한 형성 선폭 최대 에서 최소 의 범위를 갖음pattern 100 3

설계된 의 형성에 따른 미세구조 제어patternㆍ

제작된 백금 박막선의 에서의 저항0degC (Rㆍ o 은 선폭 및 길이 또는 공정에 무관하)

게 최대 최소 임1000 100 Ω Ω

제작된 백금 박막선의 온도선형계수 값은 선폭 및 길이 또는 공정에 무관(TCR)ㆍ

하게 정확하게 38510-3 이상 이어야 함

다 소자 평가

및 규격에 따라 센서회로를 설계 제작함KS JIS ㆍ 19-20) 이들 규격에 의하면 제작된

백금 박막선 저항의 양끝에 개의 도선을 접속한 선식 한쪽 끝에 개 다른 한 끝1 2 2

에 개의 토선을 접속한 선식 및 양 끝에 개의 도선을 접속한 선식이 있음1 3 2 4

선식 및 선식은 도선의 저항 효과를 없애기 위한 방식이나 생산성의 저하 우려3 4ㆍ

가 있음 따라서 선식에 의한 회로 구성을 기본으로 선 및 선식을 병행함 2 3 4

선식의 경우 백금 박막선의 저항 값2 (Rㆍ RTD 에 대하여 도선의 저항 값을 충분히)

작게 하여 배 이하 도선의 온도 상승효과를 보상함(100 )

- 17 -

제작된 백금 박막선의 온도 변화에 따른 선형 저항 변화를 유지하기 위한 본딩ㆍ

패드와 도선 접합 저항의 최소화 접촉 저항은 미만( 01 )Ω

온도 구간에서 안정하게 저항 변화를 감지하는 회로 제작-200degC ~ 500degC ㆍ

고정점 에서의 온도 저항의triple point(0degC)- Indium melting point (15659degC)ㆍ

선형성 평가

- 18 -

제 장 기술개발 내용과 방법2

- 19 -

제 장 기술개발 내용과 방법2

제 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목1

표 개발 기술의 평가방법 및 평가항목 5

온도선형계수1

온도선형계수 는 온도센서의 성능을 구별하기 위해 특정온도 구간에서의 평균기(a)

울기로 정의되며 백금의 경우 사이에서의 평균기울기로 정의된다0-100degC 19-20)

DIN22) IEC23) 등 각국의 공업규격에서는 백금측온 저항체의 경우 값으로a

000385degC-1을 규정하고 있다

=(R(100)-R(0))100R(0)α

- 20 -

표준기급 백금저항온도계의 온도변환이나 공업용 저항온도계의 보정 시에는 저항의

절대 값보다 기준온도 에 대한 상대 저항비 가 중요하게 되며 상대 저항비(0degC) (W)

값으로 온도를 계산하게 된다 본 과제에서는 업계 최초로 실리콘 기판을 사용하여

공업규격에 맞는 온도선형성을 갖는 백금박막 온도센서를 개발하고자 하였다 현재

까지 국내에서 개발된 백금박막 온도센서의 경우 온도선형계수는 38510-3 미

만으로 알려져 있다24) 기판을 사용한 경우 층을 중간층으로 사용할 경우Si MgO

값이TCR 38510-3 이상 됨을 보고한 바 있으나 상용화 되거나 일반화 되지는

못하고 있다25))

표준저항2

현재까지 가장 많이 사용되고 있는 백금박막 온도센서으 에서의 표준저항은I 0

이다 이는 지금까지의 알루미나 기판에 과 같은 방법으로 제100 screen printingΩ

작되는 온도센서 제작기술로는 백금박막의 선폭을 하로 제작하기 어려워 소100 ol

자크기에 제한이 따르기 때문이다 최근 들어 사진식각공정이나 레이저 트리밍 기

술의 발전에 따라 선폭의 감소가 이루어져 의 표준저항을 갖는 소자500 1000Ω Ω

의 상용화가 시작되고 있다 표준저항이 클수록 온도 변화에 따른 저항변화가 커서

온도분해능이 증가하는 장점이 있다 본 과제에서는 실리콘 기판에 산화막을 형성

하고 산화막에칭을 통해 선폭을 조절하므로 선폭의 조절이 까지 가능sub-micron

하여 표준저항을 용이하게 증가시킬 수 있으나 선폭저하에 따른 물성저하 등을 고

려하여 본 과제에서는 우선 표준저항 을 목표로 패턴을 디자인 하였100 1000Ω Ω

다

선폭3

선폭은 크게 두가지 측면에서 중요한 인자가 된다 선폭이 감소하면 아래 식에서

저항값을 증가시킬 수 있어 표준저항을 높이거나 같은 표준저항에서 소자크기를 작

게 할 수 있다

R = p(LA) ----------(a)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

- 21 -

그러나 선폭이 너무 작아지면 박막의 두께에 의한 효과와 같이 비저항의 감소가 있

을 수 있다5) 본 과제에서는 선폭을 로 변화시켜 본 과제에서 개2 5 10 50

발된 백금박막 증착공정의 적용여부와 온도선형계수를 조사하였다

소자크기4

소자크기는 응답속도와 직접적인 관계를 갖는다 응답속도의 경우 온도센서의 분해

능 안정도 재현성 등과 더불어 온도센서를 평가하는 중요항목 중의 하나이다 일

반적으로 시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된632

다 온도센서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름

속도에 따라 달라지며 다음과 같은 식으로 알려져 있다 826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 열전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정 A

수 값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기뿐만 아니라 기판재료로 열전도가

알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므로 시정(25WmK) (148WmK)

수가 개선될 것으로 생각된다27)

온도안정성5

온도센서 특성중의 하나인 온도안정성은 의 국제규격에 따라 두 가지IEC751 type

으로 정의된다23)

Class A = (015+0002t)士

온도Class B = (030+0003t) t土

- 22 -

대부분의 박막타입의 경우 가 적용되고 있다 본 과제에서 적용된 백금 박class B

막의 경우 상온 증착 후 후열처리를 통해 백금의 입자크기가 의 크기를 갖mm~cm

는 단결정 입자로 구성되어 온도변화에 따른 특성이 매우 양호한hysteresis loop

특성을 가지고 있다 이러한 온도안정성에 영향을 미치는 요인으로는 흡착가스의

영향 백금입자의 입자성장 기판과의 열팽창 계수 차이에서 오는 응력 등이 주요

원인이 된다18) 상기평가항목의 평가 에 맞는 온도센서를 제작하기 위하여 증spec

착공정의 개발 패턴형성공정 개발 및 소자평가등 각각의 항목에 대한 세부내역은

제 절에 나타내었다2

- 23 -

제 절 백금박막 증착공정의 개발2

그림 는 본 과제에 사용된 기의 개략도를 나타내는 그림이다 진공시스4 sputtering

템은 와 로 구성되었으며rotary turbo pump 10-3 까지는 를 사Torr rotary pump

용하고 그 이후는 와 를 사용하여rotary turbo pump 3010-6 까지 반응실의Torr

진공을 유지 할 수 있도록 설계되었다 스퍼터 방식은 하향식이며 기판온도는 SiC

를 이용하여 까지 조절할 수 있다 균일한 증착을 위해 기판의 회전수heater 700

는 으로 조정가능하며 플라즈마 가스는 아르곤을 사용하였다 증착효율을1-20rpm

높이기 위해 타게트 뒷 부위에 영구자석을 설치한 방식을magnetron sputtering

채택하였다 가스압 조절을 위해 사의 사 MKS Baratron gauge Granville-phillips

의 를 사용하였으며 를 이용하여 가스의 유량을 조절vacuum gauge controller MFC

하였다 증착속도와 증착두께는 사의 Sycon Instruments STM-100MF

와 사의 을 이용하여 실측두께와 표시두께를thicknessrate monitor Tencor -stepα

보정하여 측정하였다

그림 본 과제에서 사용된 스퍼터링 시스템의 모식도4

- 24 -

일반적으로 스퍼터링에 사용되는 가스는 타게트 물질과의 반응을 방지하기 위하여

불활성 가스 를 사용한다 금속 타게트와 플라즈마 가스와의 반응을 이(Ar Kr Xe)

용한 에서는 반응가스로reactive sputtering O2를 첨가하기도 한다28) 본 연구에서

는 스퍼터링 가스로 아르곤과 아르곤 산소 가지를 사용하였으며 기판온도는 상온+ 2

으로 고정 시켰다 가스압은 증착 는 증착된 백금 1-22 mTorr power 100-250W

박막의 비저항은 를 이용하여 면저항을 측정한 후 을 이용하4 point probe -stepα

여 측정한 두께를 곱하여 구하였다 기판으로 사용된 실리콘 웨이퍼는 thermal

법으로 의oxidation 15 SiO 2 산화막이 증착된 이다P-type Si(100)

박막증착1

증착은 기판온도 가스압력 증착 뿐만 아니라 챔버의Sputtering power geometry

도 중요한 변수 중의 하나이다 예비 실험결과 아르곤만을 가지고 제작한 온도센서

는 기판과의 부착력이 나쁘고 온도선형성이나 온도저항계수 등 제반 사항이 온도센

서 제작에는 맞지 않은 것으로 판명되었다 또한 본 과제에서 기판과의 열팽창 계

수 차이에서 오는 온도저항계수의 저하를 백금미세구조 제어로 해결하고자 하였다

즉 백금박막의 거대입성장을 유도하여 거대입자로 구성된 온도센서를 제작하였다

거대입성장을 얻기 위한 공정은 기존의 실험결과를 바탕으로 다음과 같은 최적 조

건에서 박막을 증착하였다

표 온도센서 제작을 위한 백금박막의 최적 증착조건6

기판온도 가스비 아르곤 산소( ) 증착압력 증착power 비고

상온 1915(SCCM) 5 mTorr 170W

- 25 -

증착박막의 열처리2

증착된 박막의 열처리는 일반적인 전기로를 사용하였으며 공기중에서 600~1200

영역에서 한 시간 동안 열처리 하였다 열처리 조건에 따른 의 변화에 대한 많 TCR

은 보고가 있으나 본 실험에서는 한 시간으로 고정하였다24-2529) 이는 본 과제에

적용된 거대입성장 백금박막의 경우 시간에 따른 미세구조나 물성 차이를 보이지

않기 때문이었다 또한 백금증착시 산소를 점가하는 경우 백금산화물이 형성되거나

비저항 값이 증가하므로 열처리를 통해 증착 중 첨가된 산소를 박막외부로 확산시

켜야 한다 백금산화물의 경우 반도체 산화물로서 온도저항계수가 음의 값을 갖는

다2430-33) 이러한 산소의 탈착거동을 알아보기 위해 미소열량계를 이용하여 산소의

탈착거동을 관찰하였으며 소광계수의 변화 등을 관찰하였다 소광계수 측정을 위한

박막의 열처리는 진공분위기 에서 써머커플을 기판에 접촉시켜 측정하였(50 mTorr)

다

박막의 물성 측정3

두께 및 비저항 측정3-1

박막의 두께는 사의 을 이용하여 측정하였다 시편에 를 내Tencor -step scratchα

서 박막이 일부를 제거한 후 그 단차를 측정하여 두께를 측정한 후 4-point probe

로 측정한 면저항 값을 곱하여 비저항 값을 얻었다

미세구조 관찰3-2

박막의 입자크기는 이하이므로AS-depo 1000 TEM(Transmission ElectronÅ

관찰을 하였다 슬라이드에 시편을 붙이고 사포를 이용하여 이하Microscopy) 80

까지 연마한 후 하였다 한 시편을 직경 의 에 부착시dimpling dimpling 3 Cu grid

켜 을 하며 이 과정에서 입자충돌에 따른 국부적인 온도상승에 의한 박ion milling

막의 미세구조 변화를 막기 위해 액체질소를 이용하여 냉각하였다 열처리이후에는

를 이용하여 미세구조를 관찰하였다 거대입SEM(Scanning Electron Microscope)

성장의 관찰을 위해서는 광학현미경을 이용하여 입계를 관찰한 후 으로 보다SEM

자세한 입계면과 미세구조를 관찰하였다

결정성 분석3-3

박막의 결정성과 백금산화물의 상형성을 알아보기 위해 정도의 시편을 만1 x1

들어 사의 선 회절기로 을 얻었다 는MAC science X XRD pattern X-ray Cu Ka line

을 사용하였다( =15405 ) λ Å

- 26 -

첨가가스의 탈착 거동3-4

산소가스의 탈착 거동은 미세 열량분석계 와 를 이용하였다(DTA) ellipsometer DTA

는 반응생성물에 따라 계에 출입하는 미세 열량변화를 측정하여 계의 화학 반응온

도 등을 측정할 수 있는 측정 장비이다 는 특수한 광도계 Ellipsometer (

의 하나이며 빛의 편광상태의 변화를 측정하여 표면 및 박막의 구조와photometry)

물성 물질의 광특성 등을 연구하는데 사용되는 정밀 측정 기기이다

시료의 물성과 구조에 따라 반사 또는 투과광의 편광상태는 예민하게 변하므로 편

광상태 변화의 측정 및 분석을 통하여 시료의 물성과 구조에 대한 정보를 정밀하게

얻을 수 있어서 반도체 산업에서 산화막의 두께 및 두께 분포의 측정을 포함하여

박막 등의 분석에 널리 이용되고 있다

최근 반도체 광학재료의 제조 공정에 있어서 공정 제어를 위한 실시간 측정의 필

요성이 증대되고 있다 이에 따라 시료의 표면 상태와 박막의 구조 해석에 뛰어난

능력이 인정된 타원해석기를 이용하는 사례가 증가하고 있다

는 크게 나누어 와 단파장Ellipsometer spectroscopic ellipsometer(SE)

로 나눌 수 있는데 는 구조가 복잡하거나 물성이 알려져 있지 않은ellipsometer SE

시료의 기계적 두께 전자적 흡수단 구조 해석에 유리하지만 증착 에칭 열처리( ) ( )

표면반응 등의 공정 관측에는 거의 연속적인 데이터 획득이 유리한 단파장 타원해

석기가 널이 이용되고 있다 본 과제에서는 반사된 광원의 와 를 측정하 tan cosψ

여 굴절율 과 소광계수 값을 측정하였다(n) (k)

- 27 -

제 절 패턴 제작 공정의 개발3

일반적으로 금속의 저항은 다음의 식으로 표시된다

R = p(LA) -------------- (A)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 단면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

금속의 저항은 위와 같은 형태학적인 변수 외에 온도 등에도 의존하게 되는데 Pt

등의 경우 이러한 금속의 저항이 온도에 대해 선형적으로 증가하는 특Ni Cu W

성을 가지고 있다 이러한 온도저항 특성을 이용하여 주변의 온도를 감지하는 측온

저항체 온도센서로 많이 사용되고 있다 이러한 온도센서는 주변 온도에 대하여 다

음의 관계식을 갖는다

R(T) = R0 + TR0

온도 에서의 저항R(T) T Ro 기준점 에서의 저항 온도선형계수 측정온 (O ) T α

도

물질에 따라 온도선형계수 는 정해져 있으며 형태변수식 에 의한 금속의 저( ) (A)α

항 값이 높을수록 온도변화에 대한 저항변화 값이 증가하여 정확한 온도를 측정할

수 있다 소자의 경향에 따라 작은 크기의 미세소자로 원하는 기능을 輕薄短小化

얻고자 하는 것이 기술적인 경향이다 따라서 박막 기술을 이용한 금속 박막 온도

센서의 제작이 활발히 이루어지고 있으며 일부 제품의 경우 제품화되어 사용되고

있다 금속의 종류에 따라 특성을 나타내기 위한 최소의 박막 두께가 정해지 bulk

며 일정 두께 이하에서는 특성을 나타내지 못하게 된다 따라서 안정한 소자bulk

를 얻기 위해서는 일정 두께 이상의 박막두께가 필요하게 된다5) 백금저항소자의

경우 마이크로미터 이상의 두께가 필요한 것으로 알려져 있다 박막의 두께가10

일정할 때 저항 값의 조절은 패턴의 선폭에 의하여 조절되게 된다 이러한 선폭을

조절하기 위하여 기존에 사용되는 방법은 레이저트리밍 습식 식각 건식 식각 등의

방법이 사용된다 선폭의 조절이나 소자의 열화와 같은 문제가 발생할 수 있다

- 28 -

본 과제에서는 박막형 온도센서 제작에 있어 실리콘 기판위에 절연층의 식각을 통

해 원하는 패턴을 미리 형성하고 금속을 증착하여 온도센서를 제조함으로써 백금박

막의 저항조절을 용이하게 하고 소자의 내구성 향상과 소자크기를 소형화한 온도센

서를 제작하고자 하였다 그림 는 본 과제의 온도센서 제조공정을 나타내는 그림 5

이다 공정의 용이성에 따라 절연막 코팅을 패드보호막 형성 이후에 진행할 수도

있다

그림 당 과제에서 개발한 매립형 백금박막 온도센서 제조공정 모식도 5

- 29 -

제 절 소자 평가4

백금저항 온도센서의 여러 가지 물성 측정은 규정에 따른다KS C 1603-1991 19)

이에 따르면 온도특성 전기적 특성 기계적 특성에 대한 측정으로 크게 구별 될 수

있다 온도특성에는 온도에 대한 허용오차 안정도 자기 가열특성 등이 있으며 전

기적 특성에는 절연저항 내전압 등이 있고 기계적 특성으로는 내충격성과 내진동

성 등의 세부 항목들이 있으며 각각의 특성치를 시험하기 위한 방법이 규정되어 있

다

국제온도눈금 규격 에(ITS-1990 The International Temperature Scale of 1990)

의하면 평형수소의 삼중점 부터 은의 응고점 까지의 영역에서는(138033K) (96178)

에서 정의된 고정점들 사이를 내삽해 주는 기준함수 및 편차함수를 사용ITS-1990

하여 교정된 백금저항온도계에 의해 정의되도록 하고 있다 따라서 온도센서의 검

교정은 사용영역 내에서의 고정점들과 표준온도계의 온도저항 특성을 비교함으로써

얻을 수 있다 본 과제에서는 제작된 온도센서 및 상용센서의 평가를 위해 한국표

준과학연구원의 온도연구실에 있는 장비를 이용하였다 리드선의 저항오차를 최대

한 줄이기 위해 선 결선 방법을 택하였으며 리드선으로 직경 의 백금 선4 02 mm

을 사용하였다 물의 삼중점 주석의 녹는점 아연의 녹는점 등의 고정점 개와 항 3

온조를 이용한 50~ 도 사이의 온도 범위에서 측정점을 정하여 백금표준온도450

저항값과 제작된 온도센서의 저항값을 측정하여 온도선형계수 및 고온에서의 허용

오차 등을 측정하였다 측정조건은 를 사용하여 규정전류 HP 3458 multimeter 1mA

를 회로상에 흐르도록 구성한 뒤 저항값을 소수 째 자리까지 측정하여 유효 숫자4

는 소수 자리까지 사용하였다 일정한 온도를 얻기 위하여 사용되는 항온조는 온3

도영역에 따라 이하의 저온 영역은 알콜 영역에서는 에틸렌 글리0 0~100

콜 은 실리콘 오일을 사용하였으며 원하는 온도에 이른 후 평형을 100~200

위하여 분 이상 기다린 다음 표준저항기와 온도센서의 저항값을 각각 회씩 측30 3

정하여 평균값을 취하였다

- 30 -

에서는 저항기의 기준값으로 를 물의 삼중점 의 저ITS-1990 R (27316K=001 )

항 값으로 취하고 있다 정점의 실현은 녹는점 또는 어는점에서 잠열의 출입과 관

계없이 일정한 온도를 유지하는 특성을 이용한 것으로 녹는점 부근에서의 열량 조

절이 매우 중요하다 주석과 아연의 녹는점 실현을 위한 로는 석영관 내부에 주석

과 아연이 들어 있는 가 있고 표준저항기와 측정하고자 하는 온도센서thermal bath

가 들어가 있는 작은 석영관으로 이루어진 이중 구조로 되어있다 녹는점의 실현

을 위해서는 정밀한 저항 조절을 통한 온도제어가 필요하다 이를 위해 사용되는

기기로는 등이 사용되는데 이는current comparator resistance bridge 10-7 ohm

정도의 저항 조절이 가능한 장비이며 이를 온도로 환산하면 정도의 고정001mK

밀도를 가진다

- 31 -

제 장 기술개발결과3

- 32 -

제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금 박막의 필요성1

백금 박막은 백금 자체의 온도 저항 특성을 이용한 온도센서 및 로서의 응용 heater

과 촉매로서의 활용도 활발하게 이루어지고 있다 박막온도센서로의 응용을 위해서

는 온도변화에 따른 저항 변화계수(Temperature Coefficient of Resistance TCR)

가 중요한데 규정값(38510-3 이상의 을 얻기 위해서는 백금의 두께가 ) TCR 1

이상이 되어야 한다고 알려져 있다 5) 그림 은 백금박막의 두께에 따른 의6 TCR

변화를 나타내는 그림이다 은 두께뿐만 아니라 백금 박막의 미세구조 불순물 TCR

기판의 열팽창 계수 등 여러 가지 요인에 의존한다 이러한 여러 변수 중 두께 및

미세구조 조절은 순도와 함께 최적의 온도 저항 계수를 위한 중요 변수로 작용하는

것으로 알려져 있다18-20)

그림 두께에 따른 온도저항계수의 변화 6 5)

실리콘 기판 위의 백금증착은 앞서 설명한 바와 같이 열팽창 계수의 차이 부착력

문제 등으로 원하는 을 얻기 어렵다 백금의 열팽창 계수는TCR 8910-6 로 경우degc

실리콘에(2610-6 비해 높은 값을 가지며 온도 에서 다음과 같은 저항체 길degC) T

이의 변화를 유발하게 된다

- 33 -

L(T)=L(o)(1+ (Tα t-To)

백금과 기판의 열팽창 계수 차이 온도 Tα

특히 기판의 열팽창 계수가 작으면 백금저항의 감소를 유발하게 되어 저하의 TCR

원인이 된다 따라서 기존 상용제품의 경우 대부분이 백금과 열팽창 계수 차이가

없고 부착력이 좋은 알루미나를 기판재료로 사용하고 있다 본 과제의 거대 입성장

된 백금박막은 이러한 열팽창 계수의 차이에서 오는 부의 효과를 미세구조의 조절

을 통해 극복하고자 하였다

에 영향을 미치는 접착증을 사용하지 않으면서 백금박막의 접착력 증진을 위TCR

한 방법은 기존의 이노스텍 특허 기술을 이용하여 증착할 수 있다36) 이 경우 백금

박막의 미세구조는 그림 과 같이 일반적인 구조의 백금박막을 얻을 수7 columnar

있다 그러나 이 경우 은 TCR 38010-3 정도로 온도센서로 사용가능한 규격 인

38010-3 에 크게 못 미침을 예비 실험을 통하여 알 수 있었다

그림 일반적인 백금박막의 미세구조를 나타내는 전자 현미경 사진 7

- 34 -

또한 승온과 냉각과정에서 같은 온도에서의 저항값이 서로 다른 특성을hysteresis

나타내었다 이는 온도의 상승에 따라 열팽창계수의 차이에 의한 응력이나 접착력

변화에서 기인되는 문제로 생각되었다 백금 박막의 미세구조를 단결정에 가깝게

제작할 수 있다면 입계면에서의 에 기인하는 저항변화 를 제거 할 수scatting factor

있다 본 과제에서는 이를 위하여 백금의 거대입성장 현상을 이용하여 두께 에 1

서 수 의 입자크기를 갖는 백금박막을 온도센서 소자로 사용하였다 거대입mm~cm

성장 박막의 증착 조건 등은 표 에 표시하였다6

- 35 -

거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

- 36 -

그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 5 -

목 차

제 장 서 론1

제 절 온도센서의 종류1

제 절 백금저항 온도센서2

제 절 백금저항 온도센서 이론3

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적4

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발목표5

제 장 기술개발 내용과 방법2

제 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목1

온도선형계수1

표준저항2

선폭3

소자크기4

온도안정성5

제 절 백금박막 증착공정의 개발2

박막증착1

증착박막의 열리2

박막의 물성 측정3

두께 및 비저항 측정3-1

미세구조 관찰3-2

결정성 분석3-3

첨가가스의 탈착거동3-4

제 절 패턴 제작 공정의 개발3

제 절 소자 평가4

제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금박막의 필요성1

- 6 -

거대입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

미세구조의 변화2-2

두께에 따른 변화2-3 TCR

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

리드선 부착3

패드보호막 부착4

절연막 코팅5

제작된 백금박막 온도센서6

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항특성2-1

특성2-2 Hysterisis

시정수 특성2-3

자기발열 특성2-4

제 장 결론 및 기대효과4

제 장 참고 문헌5

- 7 -

제 장 서 론1

- 8 -

제 장 서 론1

제 절 온도센서의 종류1

온도센서는 크게 접촉식과 비접촉식으로 나뉠 수 있으며 비접촉식 센서는 주로 측

정하고자하는 부위에서 발생하는 열파장을 측정하는 방식으로 주로 산업 또는 연

구의 목적으로 이용되어 진다 일반적으로 산업 및 일상생활에서 이용되는 것은 접

촉식 온도 센서로 이에 해당하는 것으로는 열전대식 써미스터(Thermocouple)

및 측온저항체 온도센(Thermistor) (Resistance temperature detector RTD) IC

서 등이 있다 표 은 접촉식 온도센서의 종류에 따른 특성을 나타내는 표이다 1

표 접촉식 온도센서 종류에 따른 제반 특성 1

RTD

백금저항온도센서( )Thermocouple Thermistor

Temperature

Range-200 ~850

-190 ~

18210 ~ 300

Accuracy plusmn0001degF to 01degF plusmn1degF to 10degF High

Response Time Moderate Fast Fast

StabilityStable over long periods

lt01 error5 yr

Not as stable

1degF erroryrGood stability

Linearity Best Moderate Non-linear

Sensitivity High sensitivity Low sensitivity High sensitivity

접촉식 온도센서의 세계시장 동향을 살펴보면1-2) 년 이후 써모커플시장 규모는95

동결내지는 감소하고 있으며 써미스터는 낮은 성장률을 보이고 있는 반면에 백금저

항온도계의 시장은 접촉식 온도센서 중에서 높은 성장률을 보이고 있다 이는 써모

커플의 경우 사용영역은 넓으나 정확도에 문제가 있고 써어미스터의 경우 자기가열

효과가 크고 외부 충격에 의한 손상의 가능성이 높아 수요가 한정되기 때문으로 생

각된다 반면 백금저항 온도센서는 온도정확성 및 신뢰도가 매우 높고 박막형 소자

개발에 따른 단가 하락 및 소형화가 가능하여 수요가 증가했기 때문으로 생각된다

- 9 -

제 절 백금저항 온도센서2

는 등과 같은 금속과 함께 의Pt Ru Rh Pd Os Ir platinum group metal (PGM)

하나로 내식성이 강하며 촉매효과가 크고 다른 금속에 비하여 내산화성이 강한 물

질로 알려져 있다3) 또한 온도에 따른 저항변화의 특성이 직선적인 특성을 가지고

있어 온도센서나 로 사용되고 있다heater 4-5) 표 에 백금의 물리적 특성을 정리2

하였다

표 백금의 물리적 성질 2

백금저항 온도센서는 외부의 온도 변화에 따른 백금의 저항 변화를 이용한 방식으

로 현재 실용화되어 있는 온도 센서 중에서 안정도와 감도가 매우 높아 고정밀의

온도 계측이 가능한 센서이다 또한 기준 접점에 대한 보상회로가 불필요하므로 간

단한 부가회로를 이용하여 온도에 대하여 직선적 출력을 얻을 수 있으며 이에 따

라 센서의 신뢰도가 매우 높은 장점을 갖고 있다6-7) 그림 은 상용화되어 있는 백1

금저항 온도센서를 나타내고 있다

- 10 -

(a) (b) (c)

그림 백금저항 온도센서의 종류 세선가공형 세라믹봉입형 박막형 1 (a) (b) (c)

이제까지 상용화된 백금저항 온도센서는 운모판에 백금선을 감은 운모형 세라믹

튜브내에 백금코일을 넣고 봉입한 세라믹형 및 백금코일을 저융점 유리로 molding

한 유리형이 광범위하게 사용되어 왔다8) 이들 센서는 고순도의 백금선으로 만들어

지기 때문에 기계적 특성 진동 충격 등 이 나쁘며 백금코일제작 및 에 많( ) molding

은 시간이 소요된다 또한 세라믹 봉입형의 경우 센서의 소형화가 어렵고 온도감응

속도가 느리며 생산비가 고가인 단점을 가지고 있다 이러한 단점을 극복하기 위해

최근에는 고도의 박막기술을 이용한 백금박막 온도센서의 개발이 매우 중요하게 되

었다 박막기술을 이용할 경우 온도센서의 소형화 및 신뢰성 향상은 물론이며 생산

비의 절감과 생산성 향상에 따른 경제적 파급효과가 매우 클 것으로 기대되고 있

다 지금까지 개발된 백금박막 온도센서의 경우 접착력과 기판과의 열팽창 계수의

차이에서 발생하는 문제로 인해 기판재료로 알루미나를 주로 사용하여 왔다59-11)

현재 백금박막 온도센서를 상용화한 회사로는 Heraeus Jumo(Germany) Hayashi

등의Denko (Japan) Minco Hycal(USA) Sentek(Taiwan) Xian Diamond(China)

회사가 있다

- 11 -

제 절 백금저항 온도센서 이론3

에 따르면 금속의 저항은 격자산란과 결함에 의한 산란 두가지Matthiessens rule

형태의 산술합으로 나타낼 수 있으며 다음의 식으로 표현된다

p = pi(T) + p

양자역학에 의하면 금속전도체 내에서의 전기전도는 전자에 의한 것임을 알 수 있

다12-14) 이상적인 결정체 격자진동도 존재하지 않는 상태 금속에서의 전도는 에( )

너지 손실 저항 없이 이루어질 수 있다 그러나 실제 금속에서는 격자진동과 결함( )

구조결함 불순물 등 이 존재하며 이들이 전기전도를 방해하는 저항으로 작용한다( )

전도전자가 충돌하기 전까지 진행한 평균길이를 전자의 평균자유행로라 하며(mean

라 하며 일반적으로 평균자유행로가 길수록 전기저항율은 작아짐을 알free path)

수 있다 표 은 금속의 전기저항율과 평균자유행로를 나타내는 표이다 3

표 금속에서의 평균자유행로 저항율 의 값 3 Debye temp 12-14)

격자진동 에 의한 저항은(phonon) pi 로 결함에 의한 저항은 로 나타낼 수 있(T) p

고 재료의 전체 저항율은 위의 로 나타낼 수 있다matthiessenrsquos rule

- 12 -

에서Matthiessens rule pi 는 과 전도전자의 충돌에 의한 저항율의 변화(T) phonon

를 나타내는 것이며 저항온도계의 온도 저항 특성을 결정하는 항이다 이론 Debye

에12) 의하면 pi 는 온도(T) Debye ( = hvθ max 를 기준으로 온도의존성이 다음과 같k)

이 나타나게 된다

pi(T) Tcong n for Tlt n = 5θ

pi(T) T for T gtθcong

표 에 여러 재료의 온도가 나타나 있다 온도 이상의 영역에서3 Debye Debye

에 의한 저항율의 온도의존성은 차 함수에 비례하는 것으로 생각할 수 있phonon 1

다 온도에 따라 저항율이 일정하기 위해서는 의 항이 온도 matthiessenrsquos rule p

의 존성이 없어야 하지만 실제로 Po = Po 값으로 온도의존성을 가지며+ (Tp)

여기에 영향을 미치는 인자는 크게 다음과 같이 나눌 수 있다18)

화학적 요인 조성 불순물 산화 기체의 흡수 등( )

물리적요인 격자결함 구조결함 공극 격자간원자 전위 적층결함 입계 등( )

기계적요인 외력 변형 변위 등( ) (stress) (strain)

온도센서 제조시 온도에 따른 의 제거가 소자의 정밀도 안정성 등을 결정하(Tp)

는 요인이 된다 조성의 경우 타켓의 순도에 의해 결정되므로 공정조절을 통해 조

절할 수는 없지만 가능하면 백금의 증착시에 기초 진공을 낮추어 주는 것이 좋다

(10-6 이하 표 는 불순물 농도에 따른 온도저항변화율을 나타내는 표이다Torr ) 4

표 불순물 농도에 따른 온도저항율 변화 4 18)

불순물 n(times10α -6)(ppm)

Ag 023

Rh 019

Si 027

Ru 018

Fe 078

Au 006

- 13 -

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적4

센서에 대한 연구 개발은 반도체 메모리 및 에너지 산업과 더불어 년대의 핵2000

심 첨단 산업의 하나로서 년대 이후 여러 분야에서 지속적으로 진행되어 오1980

고 있다 특히 초창기의 벌크 또는 후막식 센서에서 최근에는 고감도 및 대량 생산

이 용이한 박막형 센서에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다 박막형 센서는

박막의 특징인 소형화 및 정밀화가 가능하여 그 응용 범위가 제한이 없을 정도로

매우 유망한 분야이다 백금저항 온도센서는 그림 에 나타난 바와 같이 자동차 2

산업체 공정제어용 뿐만 아니라 백색가전 등 일상생활 전 분야에 폭넓게 이용되고

있으며 그 규모가 년 현재 전 세계적으로 약 억 달러에 이르렀으며 그 규모2002 10

가 성장하고 있는 매우 유망한 분야이다 특히 고성능 고정밀도를 갖는 백금박막

온도 센서 시장 규모의 증가는 써미스터나 써머커플의 시장 성장 속도에 비하여 매

무 높은 것으로 알려져 있다1-2)

그림 백금온도센서의 응용분야 2 15)

- 14 -

기존의 백금박막 온도센서 소자는 접착력 등의 문제로 알루미나 기판을 사용하여

제작되고 있다9-1115) 알루미나 기판 위에 원하는 금속박막을 증착한 후 일정한 저

항값을 얻기 위하여 금속박막을 레이저 트리밍 습식 식각 그리고 플라즈마 에칭과

같은 건식 식각을 통해 패턴을 형성하게 된다 알루미나 기판을 사용할 경우 증착

하는 금속박막의 두께가 마이크론 정도의 두께이므로 기판의 표면 거칠기를 정밀하

게 조절하기 위해 기판 표면 가공이 필요하게 된다 또한 표면 가공 후 금속박막의

부착력 증진을 위해 알루미나 기판 표면을 코로나 방전처리를 하기도 한다11) 이러

한 표면가공에는 많은 비용이 소요되어진다 금속박막의 패턴 형성을 위해 사용되

는 레이저 트리밍의 경우 레이저 가공에 의한 소자 열화 문제와 수율 등이 문제시

되며 감광막을 이용한 금속박막의 습식 식각에서는 식각의 진행 정도에 따라 용액

의 농도가 변화하여 식각 속도의 조절에 어려움이 있다 또한 금속 박막의 식각 속

도나 식각 양상에 따라 패턴 선폭이 제한되기도 한다 그림 은 레이저트리밍 이나 3

습식식각 공정을 통하여 제작된 백금 패턴을 보여주고 있다 식각 방법으로 패턴을

제작할 경우에는 가변저항을 만들어주어 패턴 형성 후에 저항을 조절하기도 한

다16) 건식 식각의 경우 비교적 정확하게 패턴을 형성할 수 있으나 금속에 따라서

는 식각된 금속 박막이 에칭 벽면에 달라붙어 정확한 패턴 형성에 어려움이 있으며

고가의 장비를 사용해야하는 단점이 있다17)

레이저 트리밍에 의한 패턴 형성(a)

식각 방법에 의한 패턴 형성(b)

그림 알루미나 기판을 사용한 상용센서의 패턴 형성 방법 3

- 15 -

기판을 사용할 경우 반도체 공정에 공정이 가능하고 가공 등이 용이하Si in-line

며 산화물 박막을 이용한 기능성 소자와 결합된 복합화 센서 를 제(hybride-sensor)

조할 수 있다는 장점을 가지고 있으나 박막과의 부착력이Pt AI2O3 기판에 비하여

크게 떨어지는 단점을 가지고 있다 SiO2 기판과 박막과의 부착력 증진을 위해pt

서는 산화물과 반응성이 좋은 등을 접착층으로 쓰거나Ti Cr 5) 고온 로 표 Plasma

면처리를 하는 방법이 사용되고 있으나 접착증의 사용은 백금박막의 온도선형 계수

를 저하시키고518) 시간에 따른 경시변화를 유발하며 고온 를 사용하는 경plasma

우에는 가격경쟁력과 수율에 문제가 있다

본 과제에서는 이노스텍이 보유하고 있는 기판 위에 백금증착기술과 미세패턴형Si

성 기술을 이용하여 실리콘 기판 위에 절연층을 형성하고 절연층을 식각한 후 금속

박막을 증착하여 패턴을 형성하는 것으로 다음과 같은 장점을 가지고 있다 기판으

로 기존의 알루미나 대신 실리콘 기판을 사용하여 온도센서로 사용할 경우 기판의

열전도가 커서 센서 소자의 응답특성을 향상시킬 수 있다 SiO2 절연층의 식각은

백금박막의 식각에 비하여 선폭 조절이 용이하고 균일도를 향상시킬 수 있으며 기

존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여 까지 선폭을sub-micron

조절할 수 있어 소자의 크기를 획기적으로 작게 할 수 있다 소자 크기의 감소는

응답특성 뿐만 아니라 생산단가를 낮출 수 있는 장점이 있다 또한 실리콘 기판을

사용할 경우 반도체 칩 내부에 온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시 반도체소자

오동작의 주요원인으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계 하여

해결할 수 있는 장점이 있다 또한 백금 박막이 식각된 Si02 표면 안쪽에 증착됨으

로써 후 공정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하여 내구성

을 증진시킬 수 있다

세계 최고의 반도체 단위 공정기술을 가지고 있는 한국에서 실리콘 기판을 사용 하

여 백금박막 온도센서를 제작할 수 있다면 기존 온도센서 시장으로의 진입 및 시

장 선도가 매우 유망 할 수 있다고 판단된다

- 16 -

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표5

최종목표(1) 반도체 공정기술을 이용한 백금박막 온도센서 양산기술 개발

실리콘 기판위에 표준저항 인 온도센서 개발Pt 100 Pt 500 Pt 1000

가 센서용 백금 박막의 증착 및 증착 공정의 최적화 RTD

두께에 따른 온도선형계수 변화(TCR) ㆍ

두께의 균일도는 이내1士ㆍ

미세구조 제어 입자크기에 따른 온도선형 계수 변화 특성( (TCR) )ㆍ

우선배향성에 따른 온도선형계수 변화 특성(TCR) ㆍ

비저항은 이하12 ㆍ μΩ

나 센서용 백금 박막선의 제작을 위한 미세회로 공정의 최적화 RTD

를 제외한 센서소자 크기Pad 22mmㆍ 2 이하

SiOㆍ 2 에칭을 통한 형성 선폭 최대 에서 최소 의 범위를 갖음pattern 100 3

설계된 의 형성에 따른 미세구조 제어patternㆍ

제작된 백금 박막선의 에서의 저항0degC (Rㆍ o 은 선폭 및 길이 또는 공정에 무관하)

게 최대 최소 임1000 100 Ω Ω

제작된 백금 박막선의 온도선형계수 값은 선폭 및 길이 또는 공정에 무관(TCR)ㆍ

하게 정확하게 38510-3 이상 이어야 함

다 소자 평가

및 규격에 따라 센서회로를 설계 제작함KS JIS ㆍ 19-20) 이들 규격에 의하면 제작된

백금 박막선 저항의 양끝에 개의 도선을 접속한 선식 한쪽 끝에 개 다른 한 끝1 2 2

에 개의 토선을 접속한 선식 및 양 끝에 개의 도선을 접속한 선식이 있음1 3 2 4

선식 및 선식은 도선의 저항 효과를 없애기 위한 방식이나 생산성의 저하 우려3 4ㆍ

가 있음 따라서 선식에 의한 회로 구성을 기본으로 선 및 선식을 병행함 2 3 4

선식의 경우 백금 박막선의 저항 값2 (Rㆍ RTD 에 대하여 도선의 저항 값을 충분히)

작게 하여 배 이하 도선의 온도 상승효과를 보상함(100 )

- 17 -

제작된 백금 박막선의 온도 변화에 따른 선형 저항 변화를 유지하기 위한 본딩ㆍ

패드와 도선 접합 저항의 최소화 접촉 저항은 미만( 01 )Ω

온도 구간에서 안정하게 저항 변화를 감지하는 회로 제작-200degC ~ 500degC ㆍ

고정점 에서의 온도 저항의triple point(0degC)- Indium melting point (15659degC)ㆍ

선형성 평가

- 18 -

제 장 기술개발 내용과 방법2

- 19 -

제 장 기술개발 내용과 방법2

제 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목1

표 개발 기술의 평가방법 및 평가항목 5

온도선형계수1

온도선형계수 는 온도센서의 성능을 구별하기 위해 특정온도 구간에서의 평균기(a)

울기로 정의되며 백금의 경우 사이에서의 평균기울기로 정의된다0-100degC 19-20)

DIN22) IEC23) 등 각국의 공업규격에서는 백금측온 저항체의 경우 값으로a

000385degC-1을 규정하고 있다

=(R(100)-R(0))100R(0)α

- 20 -

표준기급 백금저항온도계의 온도변환이나 공업용 저항온도계의 보정 시에는 저항의

절대 값보다 기준온도 에 대한 상대 저항비 가 중요하게 되며 상대 저항비(0degC) (W)

값으로 온도를 계산하게 된다 본 과제에서는 업계 최초로 실리콘 기판을 사용하여

공업규격에 맞는 온도선형성을 갖는 백금박막 온도센서를 개발하고자 하였다 현재

까지 국내에서 개발된 백금박막 온도센서의 경우 온도선형계수는 38510-3 미

만으로 알려져 있다24) 기판을 사용한 경우 층을 중간층으로 사용할 경우Si MgO

값이TCR 38510-3 이상 됨을 보고한 바 있으나 상용화 되거나 일반화 되지는

못하고 있다25))

표준저항2

현재까지 가장 많이 사용되고 있는 백금박막 온도센서으 에서의 표준저항은I 0

이다 이는 지금까지의 알루미나 기판에 과 같은 방법으로 제100 screen printingΩ

작되는 온도센서 제작기술로는 백금박막의 선폭을 하로 제작하기 어려워 소100 ol

자크기에 제한이 따르기 때문이다 최근 들어 사진식각공정이나 레이저 트리밍 기

술의 발전에 따라 선폭의 감소가 이루어져 의 표준저항을 갖는 소자500 1000Ω Ω

의 상용화가 시작되고 있다 표준저항이 클수록 온도 변화에 따른 저항변화가 커서

온도분해능이 증가하는 장점이 있다 본 과제에서는 실리콘 기판에 산화막을 형성

하고 산화막에칭을 통해 선폭을 조절하므로 선폭의 조절이 까지 가능sub-micron

하여 표준저항을 용이하게 증가시킬 수 있으나 선폭저하에 따른 물성저하 등을 고

려하여 본 과제에서는 우선 표준저항 을 목표로 패턴을 디자인 하였100 1000Ω Ω

다

선폭3

선폭은 크게 두가지 측면에서 중요한 인자가 된다 선폭이 감소하면 아래 식에서

저항값을 증가시킬 수 있어 표준저항을 높이거나 같은 표준저항에서 소자크기를 작

게 할 수 있다

R = p(LA) ----------(a)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

- 21 -

그러나 선폭이 너무 작아지면 박막의 두께에 의한 효과와 같이 비저항의 감소가 있

을 수 있다5) 본 과제에서는 선폭을 로 변화시켜 본 과제에서 개2 5 10 50

발된 백금박막 증착공정의 적용여부와 온도선형계수를 조사하였다

소자크기4

소자크기는 응답속도와 직접적인 관계를 갖는다 응답속도의 경우 온도센서의 분해

능 안정도 재현성 등과 더불어 온도센서를 평가하는 중요항목 중의 하나이다 일

반적으로 시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된632

다 온도센서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름

속도에 따라 달라지며 다음과 같은 식으로 알려져 있다 826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 열전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정 A

수 값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기뿐만 아니라 기판재료로 열전도가

알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므로 시정(25WmK) (148WmK)

수가 개선될 것으로 생각된다27)

온도안정성5

온도센서 특성중의 하나인 온도안정성은 의 국제규격에 따라 두 가지IEC751 type

으로 정의된다23)

Class A = (015+0002t)士

온도Class B = (030+0003t) t土

- 22 -

대부분의 박막타입의 경우 가 적용되고 있다 본 과제에서 적용된 백금 박class B

막의 경우 상온 증착 후 후열처리를 통해 백금의 입자크기가 의 크기를 갖mm~cm

는 단결정 입자로 구성되어 온도변화에 따른 특성이 매우 양호한hysteresis loop

특성을 가지고 있다 이러한 온도안정성에 영향을 미치는 요인으로는 흡착가스의

영향 백금입자의 입자성장 기판과의 열팽창 계수 차이에서 오는 응력 등이 주요

원인이 된다18) 상기평가항목의 평가 에 맞는 온도센서를 제작하기 위하여 증spec

착공정의 개발 패턴형성공정 개발 및 소자평가등 각각의 항목에 대한 세부내역은

제 절에 나타내었다2

- 23 -

제 절 백금박막 증착공정의 개발2

그림 는 본 과제에 사용된 기의 개략도를 나타내는 그림이다 진공시스4 sputtering

템은 와 로 구성되었으며rotary turbo pump 10-3 까지는 를 사Torr rotary pump

용하고 그 이후는 와 를 사용하여rotary turbo pump 3010-6 까지 반응실의Torr

진공을 유지 할 수 있도록 설계되었다 스퍼터 방식은 하향식이며 기판온도는 SiC

를 이용하여 까지 조절할 수 있다 균일한 증착을 위해 기판의 회전수heater 700

는 으로 조정가능하며 플라즈마 가스는 아르곤을 사용하였다 증착효율을1-20rpm

높이기 위해 타게트 뒷 부위에 영구자석을 설치한 방식을magnetron sputtering

채택하였다 가스압 조절을 위해 사의 사 MKS Baratron gauge Granville-phillips

의 를 사용하였으며 를 이용하여 가스의 유량을 조절vacuum gauge controller MFC

하였다 증착속도와 증착두께는 사의 Sycon Instruments STM-100MF

와 사의 을 이용하여 실측두께와 표시두께를thicknessrate monitor Tencor -stepα

보정하여 측정하였다

그림 본 과제에서 사용된 스퍼터링 시스템의 모식도4

- 24 -

일반적으로 스퍼터링에 사용되는 가스는 타게트 물질과의 반응을 방지하기 위하여

불활성 가스 를 사용한다 금속 타게트와 플라즈마 가스와의 반응을 이(Ar Kr Xe)

용한 에서는 반응가스로reactive sputtering O2를 첨가하기도 한다28) 본 연구에서

는 스퍼터링 가스로 아르곤과 아르곤 산소 가지를 사용하였으며 기판온도는 상온+ 2

으로 고정 시켰다 가스압은 증착 는 증착된 백금 1-22 mTorr power 100-250W

박막의 비저항은 를 이용하여 면저항을 측정한 후 을 이용하4 point probe -stepα

여 측정한 두께를 곱하여 구하였다 기판으로 사용된 실리콘 웨이퍼는 thermal

법으로 의oxidation 15 SiO 2 산화막이 증착된 이다P-type Si(100)

박막증착1

증착은 기판온도 가스압력 증착 뿐만 아니라 챔버의Sputtering power geometry

도 중요한 변수 중의 하나이다 예비 실험결과 아르곤만을 가지고 제작한 온도센서

는 기판과의 부착력이 나쁘고 온도선형성이나 온도저항계수 등 제반 사항이 온도센

서 제작에는 맞지 않은 것으로 판명되었다 또한 본 과제에서 기판과의 열팽창 계

수 차이에서 오는 온도저항계수의 저하를 백금미세구조 제어로 해결하고자 하였다

즉 백금박막의 거대입성장을 유도하여 거대입자로 구성된 온도센서를 제작하였다

거대입성장을 얻기 위한 공정은 기존의 실험결과를 바탕으로 다음과 같은 최적 조

건에서 박막을 증착하였다

표 온도센서 제작을 위한 백금박막의 최적 증착조건6

기판온도 가스비 아르곤 산소( ) 증착압력 증착power 비고

상온 1915(SCCM) 5 mTorr 170W

- 25 -

증착박막의 열처리2

증착된 박막의 열처리는 일반적인 전기로를 사용하였으며 공기중에서 600~1200

영역에서 한 시간 동안 열처리 하였다 열처리 조건에 따른 의 변화에 대한 많 TCR

은 보고가 있으나 본 실험에서는 한 시간으로 고정하였다24-2529) 이는 본 과제에

적용된 거대입성장 백금박막의 경우 시간에 따른 미세구조나 물성 차이를 보이지

않기 때문이었다 또한 백금증착시 산소를 점가하는 경우 백금산화물이 형성되거나

비저항 값이 증가하므로 열처리를 통해 증착 중 첨가된 산소를 박막외부로 확산시

켜야 한다 백금산화물의 경우 반도체 산화물로서 온도저항계수가 음의 값을 갖는

다2430-33) 이러한 산소의 탈착거동을 알아보기 위해 미소열량계를 이용하여 산소의

탈착거동을 관찰하였으며 소광계수의 변화 등을 관찰하였다 소광계수 측정을 위한

박막의 열처리는 진공분위기 에서 써머커플을 기판에 접촉시켜 측정하였(50 mTorr)

다

박막의 물성 측정3

두께 및 비저항 측정3-1

박막의 두께는 사의 을 이용하여 측정하였다 시편에 를 내Tencor -step scratchα

서 박막이 일부를 제거한 후 그 단차를 측정하여 두께를 측정한 후 4-point probe

로 측정한 면저항 값을 곱하여 비저항 값을 얻었다

미세구조 관찰3-2

박막의 입자크기는 이하이므로AS-depo 1000 TEM(Transmission ElectronÅ

관찰을 하였다 슬라이드에 시편을 붙이고 사포를 이용하여 이하Microscopy) 80

까지 연마한 후 하였다 한 시편을 직경 의 에 부착시dimpling dimpling 3 Cu grid

켜 을 하며 이 과정에서 입자충돌에 따른 국부적인 온도상승에 의한 박ion milling

막의 미세구조 변화를 막기 위해 액체질소를 이용하여 냉각하였다 열처리이후에는

를 이용하여 미세구조를 관찰하였다 거대입SEM(Scanning Electron Microscope)

성장의 관찰을 위해서는 광학현미경을 이용하여 입계를 관찰한 후 으로 보다SEM

자세한 입계면과 미세구조를 관찰하였다

결정성 분석3-3

박막의 결정성과 백금산화물의 상형성을 알아보기 위해 정도의 시편을 만1 x1

들어 사의 선 회절기로 을 얻었다 는MAC science X XRD pattern X-ray Cu Ka line

을 사용하였다( =15405 ) λ Å

- 26 -

첨가가스의 탈착 거동3-4

산소가스의 탈착 거동은 미세 열량분석계 와 를 이용하였다(DTA) ellipsometer DTA

는 반응생성물에 따라 계에 출입하는 미세 열량변화를 측정하여 계의 화학 반응온

도 등을 측정할 수 있는 측정 장비이다 는 특수한 광도계 Ellipsometer (

의 하나이며 빛의 편광상태의 변화를 측정하여 표면 및 박막의 구조와photometry)

물성 물질의 광특성 등을 연구하는데 사용되는 정밀 측정 기기이다

시료의 물성과 구조에 따라 반사 또는 투과광의 편광상태는 예민하게 변하므로 편

광상태 변화의 측정 및 분석을 통하여 시료의 물성과 구조에 대한 정보를 정밀하게

얻을 수 있어서 반도체 산업에서 산화막의 두께 및 두께 분포의 측정을 포함하여

박막 등의 분석에 널리 이용되고 있다

최근 반도체 광학재료의 제조 공정에 있어서 공정 제어를 위한 실시간 측정의 필

요성이 증대되고 있다 이에 따라 시료의 표면 상태와 박막의 구조 해석에 뛰어난

능력이 인정된 타원해석기를 이용하는 사례가 증가하고 있다

는 크게 나누어 와 단파장Ellipsometer spectroscopic ellipsometer(SE)

로 나눌 수 있는데 는 구조가 복잡하거나 물성이 알려져 있지 않은ellipsometer SE

시료의 기계적 두께 전자적 흡수단 구조 해석에 유리하지만 증착 에칭 열처리( ) ( )

표면반응 등의 공정 관측에는 거의 연속적인 데이터 획득이 유리한 단파장 타원해

석기가 널이 이용되고 있다 본 과제에서는 반사된 광원의 와 를 측정하 tan cosψ

여 굴절율 과 소광계수 값을 측정하였다(n) (k)

- 27 -

제 절 패턴 제작 공정의 개발3

일반적으로 금속의 저항은 다음의 식으로 표시된다

R = p(LA) -------------- (A)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 단면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

금속의 저항은 위와 같은 형태학적인 변수 외에 온도 등에도 의존하게 되는데 Pt

등의 경우 이러한 금속의 저항이 온도에 대해 선형적으로 증가하는 특Ni Cu W

성을 가지고 있다 이러한 온도저항 특성을 이용하여 주변의 온도를 감지하는 측온

저항체 온도센서로 많이 사용되고 있다 이러한 온도센서는 주변 온도에 대하여 다

음의 관계식을 갖는다

R(T) = R0 + TR0

온도 에서의 저항R(T) T Ro 기준점 에서의 저항 온도선형계수 측정온 (O ) T α

도

물질에 따라 온도선형계수 는 정해져 있으며 형태변수식 에 의한 금속의 저( ) (A)α

항 값이 높을수록 온도변화에 대한 저항변화 값이 증가하여 정확한 온도를 측정할

수 있다 소자의 경향에 따라 작은 크기의 미세소자로 원하는 기능을 輕薄短小化

얻고자 하는 것이 기술적인 경향이다 따라서 박막 기술을 이용한 금속 박막 온도

센서의 제작이 활발히 이루어지고 있으며 일부 제품의 경우 제품화되어 사용되고

있다 금속의 종류에 따라 특성을 나타내기 위한 최소의 박막 두께가 정해지 bulk

며 일정 두께 이하에서는 특성을 나타내지 못하게 된다 따라서 안정한 소자bulk

를 얻기 위해서는 일정 두께 이상의 박막두께가 필요하게 된다5) 백금저항소자의

경우 마이크로미터 이상의 두께가 필요한 것으로 알려져 있다 박막의 두께가10

일정할 때 저항 값의 조절은 패턴의 선폭에 의하여 조절되게 된다 이러한 선폭을

조절하기 위하여 기존에 사용되는 방법은 레이저트리밍 습식 식각 건식 식각 등의

방법이 사용된다 선폭의 조절이나 소자의 열화와 같은 문제가 발생할 수 있다

- 28 -

본 과제에서는 박막형 온도센서 제작에 있어 실리콘 기판위에 절연층의 식각을 통

해 원하는 패턴을 미리 형성하고 금속을 증착하여 온도센서를 제조함으로써 백금박

막의 저항조절을 용이하게 하고 소자의 내구성 향상과 소자크기를 소형화한 온도센

서를 제작하고자 하였다 그림 는 본 과제의 온도센서 제조공정을 나타내는 그림 5

이다 공정의 용이성에 따라 절연막 코팅을 패드보호막 형성 이후에 진행할 수도

있다

그림 당 과제에서 개발한 매립형 백금박막 온도센서 제조공정 모식도 5

- 29 -

제 절 소자 평가4

백금저항 온도센서의 여러 가지 물성 측정은 규정에 따른다KS C 1603-1991 19)

이에 따르면 온도특성 전기적 특성 기계적 특성에 대한 측정으로 크게 구별 될 수

있다 온도특성에는 온도에 대한 허용오차 안정도 자기 가열특성 등이 있으며 전

기적 특성에는 절연저항 내전압 등이 있고 기계적 특성으로는 내충격성과 내진동

성 등의 세부 항목들이 있으며 각각의 특성치를 시험하기 위한 방법이 규정되어 있

다

국제온도눈금 규격 에(ITS-1990 The International Temperature Scale of 1990)

의하면 평형수소의 삼중점 부터 은의 응고점 까지의 영역에서는(138033K) (96178)

에서 정의된 고정점들 사이를 내삽해 주는 기준함수 및 편차함수를 사용ITS-1990

하여 교정된 백금저항온도계에 의해 정의되도록 하고 있다 따라서 온도센서의 검

교정은 사용영역 내에서의 고정점들과 표준온도계의 온도저항 특성을 비교함으로써

얻을 수 있다 본 과제에서는 제작된 온도센서 및 상용센서의 평가를 위해 한국표

준과학연구원의 온도연구실에 있는 장비를 이용하였다 리드선의 저항오차를 최대

한 줄이기 위해 선 결선 방법을 택하였으며 리드선으로 직경 의 백금 선4 02 mm

을 사용하였다 물의 삼중점 주석의 녹는점 아연의 녹는점 등의 고정점 개와 항 3

온조를 이용한 50~ 도 사이의 온도 범위에서 측정점을 정하여 백금표준온도450

저항값과 제작된 온도센서의 저항값을 측정하여 온도선형계수 및 고온에서의 허용

오차 등을 측정하였다 측정조건은 를 사용하여 규정전류 HP 3458 multimeter 1mA

를 회로상에 흐르도록 구성한 뒤 저항값을 소수 째 자리까지 측정하여 유효 숫자4

는 소수 자리까지 사용하였다 일정한 온도를 얻기 위하여 사용되는 항온조는 온3

도영역에 따라 이하의 저온 영역은 알콜 영역에서는 에틸렌 글리0 0~100

콜 은 실리콘 오일을 사용하였으며 원하는 온도에 이른 후 평형을 100~200

위하여 분 이상 기다린 다음 표준저항기와 온도센서의 저항값을 각각 회씩 측30 3

정하여 평균값을 취하였다

- 30 -

에서는 저항기의 기준값으로 를 물의 삼중점 의 저ITS-1990 R (27316K=001 )

항 값으로 취하고 있다 정점의 실현은 녹는점 또는 어는점에서 잠열의 출입과 관

계없이 일정한 온도를 유지하는 특성을 이용한 것으로 녹는점 부근에서의 열량 조

절이 매우 중요하다 주석과 아연의 녹는점 실현을 위한 로는 석영관 내부에 주석

과 아연이 들어 있는 가 있고 표준저항기와 측정하고자 하는 온도센서thermal bath

가 들어가 있는 작은 석영관으로 이루어진 이중 구조로 되어있다 녹는점의 실현

을 위해서는 정밀한 저항 조절을 통한 온도제어가 필요하다 이를 위해 사용되는

기기로는 등이 사용되는데 이는current comparator resistance bridge 10-7 ohm

정도의 저항 조절이 가능한 장비이며 이를 온도로 환산하면 정도의 고정001mK

밀도를 가진다

- 31 -

제 장 기술개발결과3

- 32 -

제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금 박막의 필요성1

백금 박막은 백금 자체의 온도 저항 특성을 이용한 온도센서 및 로서의 응용 heater

과 촉매로서의 활용도 활발하게 이루어지고 있다 박막온도센서로의 응용을 위해서

는 온도변화에 따른 저항 변화계수(Temperature Coefficient of Resistance TCR)

가 중요한데 규정값(38510-3 이상의 을 얻기 위해서는 백금의 두께가 ) TCR 1

이상이 되어야 한다고 알려져 있다 5) 그림 은 백금박막의 두께에 따른 의6 TCR

변화를 나타내는 그림이다 은 두께뿐만 아니라 백금 박막의 미세구조 불순물 TCR

기판의 열팽창 계수 등 여러 가지 요인에 의존한다 이러한 여러 변수 중 두께 및

미세구조 조절은 순도와 함께 최적의 온도 저항 계수를 위한 중요 변수로 작용하는

것으로 알려져 있다18-20)

그림 두께에 따른 온도저항계수의 변화 6 5)

실리콘 기판 위의 백금증착은 앞서 설명한 바와 같이 열팽창 계수의 차이 부착력

문제 등으로 원하는 을 얻기 어렵다 백금의 열팽창 계수는TCR 8910-6 로 경우degc

실리콘에(2610-6 비해 높은 값을 가지며 온도 에서 다음과 같은 저항체 길degC) T

이의 변화를 유발하게 된다

- 33 -

L(T)=L(o)(1+ (Tα t-To)

백금과 기판의 열팽창 계수 차이 온도 Tα

특히 기판의 열팽창 계수가 작으면 백금저항의 감소를 유발하게 되어 저하의 TCR

원인이 된다 따라서 기존 상용제품의 경우 대부분이 백금과 열팽창 계수 차이가

없고 부착력이 좋은 알루미나를 기판재료로 사용하고 있다 본 과제의 거대 입성장

된 백금박막은 이러한 열팽창 계수의 차이에서 오는 부의 효과를 미세구조의 조절

을 통해 극복하고자 하였다

에 영향을 미치는 접착증을 사용하지 않으면서 백금박막의 접착력 증진을 위TCR

한 방법은 기존의 이노스텍 특허 기술을 이용하여 증착할 수 있다36) 이 경우 백금

박막의 미세구조는 그림 과 같이 일반적인 구조의 백금박막을 얻을 수7 columnar

있다 그러나 이 경우 은 TCR 38010-3 정도로 온도센서로 사용가능한 규격 인

38010-3 에 크게 못 미침을 예비 실험을 통하여 알 수 있었다

그림 일반적인 백금박막의 미세구조를 나타내는 전자 현미경 사진 7

- 34 -

또한 승온과 냉각과정에서 같은 온도에서의 저항값이 서로 다른 특성을hysteresis

나타내었다 이는 온도의 상승에 따라 열팽창계수의 차이에 의한 응력이나 접착력

변화에서 기인되는 문제로 생각되었다 백금 박막의 미세구조를 단결정에 가깝게

제작할 수 있다면 입계면에서의 에 기인하는 저항변화 를 제거 할 수scatting factor

있다 본 과제에서는 이를 위하여 백금의 거대입성장 현상을 이용하여 두께 에 1

서 수 의 입자크기를 갖는 백금박막을 온도센서 소자로 사용하였다 거대입mm~cm

성장 박막의 증착 조건 등은 표 에 표시하였다6

- 35 -

거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

- 36 -

그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 6 -

거대입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

미세구조의 변화2-2

두께에 따른 변화2-3 TCR

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

리드선 부착3

패드보호막 부착4

절연막 코팅5

제작된 백금박막 온도센서6

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항특성2-1

특성2-2 Hysterisis

시정수 특성2-3

자기발열 특성2-4

제 장 결론 및 기대효과4

제 장 참고 문헌5

- 7 -

제 장 서 론1

- 8 -

제 장 서 론1

제 절 온도센서의 종류1

온도센서는 크게 접촉식과 비접촉식으로 나뉠 수 있으며 비접촉식 센서는 주로 측

정하고자하는 부위에서 발생하는 열파장을 측정하는 방식으로 주로 산업 또는 연

구의 목적으로 이용되어 진다 일반적으로 산업 및 일상생활에서 이용되는 것은 접

촉식 온도 센서로 이에 해당하는 것으로는 열전대식 써미스터(Thermocouple)

및 측온저항체 온도센(Thermistor) (Resistance temperature detector RTD) IC

서 등이 있다 표 은 접촉식 온도센서의 종류에 따른 특성을 나타내는 표이다 1

표 접촉식 온도센서 종류에 따른 제반 특성 1

RTD

백금저항온도센서( )Thermocouple Thermistor

Temperature

Range-200 ~850

-190 ~

18210 ~ 300

Accuracy plusmn0001degF to 01degF plusmn1degF to 10degF High

Response Time Moderate Fast Fast

StabilityStable over long periods

lt01 error5 yr

Not as stable

1degF erroryrGood stability

Linearity Best Moderate Non-linear

Sensitivity High sensitivity Low sensitivity High sensitivity

접촉식 온도센서의 세계시장 동향을 살펴보면1-2) 년 이후 써모커플시장 규모는95

동결내지는 감소하고 있으며 써미스터는 낮은 성장률을 보이고 있는 반면에 백금저

항온도계의 시장은 접촉식 온도센서 중에서 높은 성장률을 보이고 있다 이는 써모

커플의 경우 사용영역은 넓으나 정확도에 문제가 있고 써어미스터의 경우 자기가열

효과가 크고 외부 충격에 의한 손상의 가능성이 높아 수요가 한정되기 때문으로 생

각된다 반면 백금저항 온도센서는 온도정확성 및 신뢰도가 매우 높고 박막형 소자

개발에 따른 단가 하락 및 소형화가 가능하여 수요가 증가했기 때문으로 생각된다

- 9 -

제 절 백금저항 온도센서2

는 등과 같은 금속과 함께 의Pt Ru Rh Pd Os Ir platinum group metal (PGM)

하나로 내식성이 강하며 촉매효과가 크고 다른 금속에 비하여 내산화성이 강한 물

질로 알려져 있다3) 또한 온도에 따른 저항변화의 특성이 직선적인 특성을 가지고

있어 온도센서나 로 사용되고 있다heater 4-5) 표 에 백금의 물리적 특성을 정리2

하였다

표 백금의 물리적 성질 2

백금저항 온도센서는 외부의 온도 변화에 따른 백금의 저항 변화를 이용한 방식으

로 현재 실용화되어 있는 온도 센서 중에서 안정도와 감도가 매우 높아 고정밀의

온도 계측이 가능한 센서이다 또한 기준 접점에 대한 보상회로가 불필요하므로 간

단한 부가회로를 이용하여 온도에 대하여 직선적 출력을 얻을 수 있으며 이에 따

라 센서의 신뢰도가 매우 높은 장점을 갖고 있다6-7) 그림 은 상용화되어 있는 백1

금저항 온도센서를 나타내고 있다

- 10 -

(a) (b) (c)

그림 백금저항 온도센서의 종류 세선가공형 세라믹봉입형 박막형 1 (a) (b) (c)

이제까지 상용화된 백금저항 온도센서는 운모판에 백금선을 감은 운모형 세라믹

튜브내에 백금코일을 넣고 봉입한 세라믹형 및 백금코일을 저융점 유리로 molding

한 유리형이 광범위하게 사용되어 왔다8) 이들 센서는 고순도의 백금선으로 만들어

지기 때문에 기계적 특성 진동 충격 등 이 나쁘며 백금코일제작 및 에 많( ) molding

은 시간이 소요된다 또한 세라믹 봉입형의 경우 센서의 소형화가 어렵고 온도감응

속도가 느리며 생산비가 고가인 단점을 가지고 있다 이러한 단점을 극복하기 위해

최근에는 고도의 박막기술을 이용한 백금박막 온도센서의 개발이 매우 중요하게 되

었다 박막기술을 이용할 경우 온도센서의 소형화 및 신뢰성 향상은 물론이며 생산

비의 절감과 생산성 향상에 따른 경제적 파급효과가 매우 클 것으로 기대되고 있

다 지금까지 개발된 백금박막 온도센서의 경우 접착력과 기판과의 열팽창 계수의

차이에서 발생하는 문제로 인해 기판재료로 알루미나를 주로 사용하여 왔다59-11)

현재 백금박막 온도센서를 상용화한 회사로는 Heraeus Jumo(Germany) Hayashi

등의Denko (Japan) Minco Hycal(USA) Sentek(Taiwan) Xian Diamond(China)

회사가 있다

- 11 -

제 절 백금저항 온도센서 이론3

에 따르면 금속의 저항은 격자산란과 결함에 의한 산란 두가지Matthiessens rule

형태의 산술합으로 나타낼 수 있으며 다음의 식으로 표현된다

p = pi(T) + p

양자역학에 의하면 금속전도체 내에서의 전기전도는 전자에 의한 것임을 알 수 있

다12-14) 이상적인 결정체 격자진동도 존재하지 않는 상태 금속에서의 전도는 에( )

너지 손실 저항 없이 이루어질 수 있다 그러나 실제 금속에서는 격자진동과 결함( )

구조결함 불순물 등 이 존재하며 이들이 전기전도를 방해하는 저항으로 작용한다( )

전도전자가 충돌하기 전까지 진행한 평균길이를 전자의 평균자유행로라 하며(mean

라 하며 일반적으로 평균자유행로가 길수록 전기저항율은 작아짐을 알free path)

수 있다 표 은 금속의 전기저항율과 평균자유행로를 나타내는 표이다 3

표 금속에서의 평균자유행로 저항율 의 값 3 Debye temp 12-14)

격자진동 에 의한 저항은(phonon) pi 로 결함에 의한 저항은 로 나타낼 수 있(T) p

고 재료의 전체 저항율은 위의 로 나타낼 수 있다matthiessenrsquos rule

- 12 -

에서Matthiessens rule pi 는 과 전도전자의 충돌에 의한 저항율의 변화(T) phonon

를 나타내는 것이며 저항온도계의 온도 저항 특성을 결정하는 항이다 이론 Debye

에12) 의하면 pi 는 온도(T) Debye ( = hvθ max 를 기준으로 온도의존성이 다음과 같k)

이 나타나게 된다

pi(T) Tcong n for Tlt n = 5θ

pi(T) T for T gtθcong

표 에 여러 재료의 온도가 나타나 있다 온도 이상의 영역에서3 Debye Debye

에 의한 저항율의 온도의존성은 차 함수에 비례하는 것으로 생각할 수 있phonon 1

다 온도에 따라 저항율이 일정하기 위해서는 의 항이 온도 matthiessenrsquos rule p

의 존성이 없어야 하지만 실제로 Po = Po 값으로 온도의존성을 가지며+ (Tp)

여기에 영향을 미치는 인자는 크게 다음과 같이 나눌 수 있다18)

화학적 요인 조성 불순물 산화 기체의 흡수 등( )

물리적요인 격자결함 구조결함 공극 격자간원자 전위 적층결함 입계 등( )

기계적요인 외력 변형 변위 등( ) (stress) (strain)

온도센서 제조시 온도에 따른 의 제거가 소자의 정밀도 안정성 등을 결정하(Tp)

는 요인이 된다 조성의 경우 타켓의 순도에 의해 결정되므로 공정조절을 통해 조

절할 수는 없지만 가능하면 백금의 증착시에 기초 진공을 낮추어 주는 것이 좋다

(10-6 이하 표 는 불순물 농도에 따른 온도저항변화율을 나타내는 표이다Torr ) 4

표 불순물 농도에 따른 온도저항율 변화 4 18)

불순물 n(times10α -6)(ppm)

Ag 023

Rh 019

Si 027

Ru 018

Fe 078

Au 006

- 13 -

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적4

센서에 대한 연구 개발은 반도체 메모리 및 에너지 산업과 더불어 년대의 핵2000

심 첨단 산업의 하나로서 년대 이후 여러 분야에서 지속적으로 진행되어 오1980

고 있다 특히 초창기의 벌크 또는 후막식 센서에서 최근에는 고감도 및 대량 생산

이 용이한 박막형 센서에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다 박막형 센서는

박막의 특징인 소형화 및 정밀화가 가능하여 그 응용 범위가 제한이 없을 정도로

매우 유망한 분야이다 백금저항 온도센서는 그림 에 나타난 바와 같이 자동차 2

산업체 공정제어용 뿐만 아니라 백색가전 등 일상생활 전 분야에 폭넓게 이용되고

있으며 그 규모가 년 현재 전 세계적으로 약 억 달러에 이르렀으며 그 규모2002 10

가 성장하고 있는 매우 유망한 분야이다 특히 고성능 고정밀도를 갖는 백금박막

온도 센서 시장 규모의 증가는 써미스터나 써머커플의 시장 성장 속도에 비하여 매

무 높은 것으로 알려져 있다1-2)

그림 백금온도센서의 응용분야 2 15)

- 14 -

기존의 백금박막 온도센서 소자는 접착력 등의 문제로 알루미나 기판을 사용하여

제작되고 있다9-1115) 알루미나 기판 위에 원하는 금속박막을 증착한 후 일정한 저

항값을 얻기 위하여 금속박막을 레이저 트리밍 습식 식각 그리고 플라즈마 에칭과

같은 건식 식각을 통해 패턴을 형성하게 된다 알루미나 기판을 사용할 경우 증착

하는 금속박막의 두께가 마이크론 정도의 두께이므로 기판의 표면 거칠기를 정밀하

게 조절하기 위해 기판 표면 가공이 필요하게 된다 또한 표면 가공 후 금속박막의

부착력 증진을 위해 알루미나 기판 표면을 코로나 방전처리를 하기도 한다11) 이러

한 표면가공에는 많은 비용이 소요되어진다 금속박막의 패턴 형성을 위해 사용되

는 레이저 트리밍의 경우 레이저 가공에 의한 소자 열화 문제와 수율 등이 문제시

되며 감광막을 이용한 금속박막의 습식 식각에서는 식각의 진행 정도에 따라 용액

의 농도가 변화하여 식각 속도의 조절에 어려움이 있다 또한 금속 박막의 식각 속

도나 식각 양상에 따라 패턴 선폭이 제한되기도 한다 그림 은 레이저트리밍 이나 3

습식식각 공정을 통하여 제작된 백금 패턴을 보여주고 있다 식각 방법으로 패턴을

제작할 경우에는 가변저항을 만들어주어 패턴 형성 후에 저항을 조절하기도 한

다16) 건식 식각의 경우 비교적 정확하게 패턴을 형성할 수 있으나 금속에 따라서

는 식각된 금속 박막이 에칭 벽면에 달라붙어 정확한 패턴 형성에 어려움이 있으며

고가의 장비를 사용해야하는 단점이 있다17)

레이저 트리밍에 의한 패턴 형성(a)

식각 방법에 의한 패턴 형성(b)

그림 알루미나 기판을 사용한 상용센서의 패턴 형성 방법 3

- 15 -

기판을 사용할 경우 반도체 공정에 공정이 가능하고 가공 등이 용이하Si in-line

며 산화물 박막을 이용한 기능성 소자와 결합된 복합화 센서 를 제(hybride-sensor)

조할 수 있다는 장점을 가지고 있으나 박막과의 부착력이Pt AI2O3 기판에 비하여

크게 떨어지는 단점을 가지고 있다 SiO2 기판과 박막과의 부착력 증진을 위해pt

서는 산화물과 반응성이 좋은 등을 접착층으로 쓰거나Ti Cr 5) 고온 로 표 Plasma

면처리를 하는 방법이 사용되고 있으나 접착증의 사용은 백금박막의 온도선형 계수

를 저하시키고518) 시간에 따른 경시변화를 유발하며 고온 를 사용하는 경plasma

우에는 가격경쟁력과 수율에 문제가 있다

본 과제에서는 이노스텍이 보유하고 있는 기판 위에 백금증착기술과 미세패턴형Si

성 기술을 이용하여 실리콘 기판 위에 절연층을 형성하고 절연층을 식각한 후 금속

박막을 증착하여 패턴을 형성하는 것으로 다음과 같은 장점을 가지고 있다 기판으

로 기존의 알루미나 대신 실리콘 기판을 사용하여 온도센서로 사용할 경우 기판의

열전도가 커서 센서 소자의 응답특성을 향상시킬 수 있다 SiO2 절연층의 식각은

백금박막의 식각에 비하여 선폭 조절이 용이하고 균일도를 향상시킬 수 있으며 기

존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여 까지 선폭을sub-micron

조절할 수 있어 소자의 크기를 획기적으로 작게 할 수 있다 소자 크기의 감소는

응답특성 뿐만 아니라 생산단가를 낮출 수 있는 장점이 있다 또한 실리콘 기판을

사용할 경우 반도체 칩 내부에 온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시 반도체소자

오동작의 주요원인으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계 하여

해결할 수 있는 장점이 있다 또한 백금 박막이 식각된 Si02 표면 안쪽에 증착됨으

로써 후 공정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하여 내구성

을 증진시킬 수 있다

세계 최고의 반도체 단위 공정기술을 가지고 있는 한국에서 실리콘 기판을 사용 하

여 백금박막 온도센서를 제작할 수 있다면 기존 온도센서 시장으로의 진입 및 시

장 선도가 매우 유망 할 수 있다고 판단된다

- 16 -

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표5

최종목표(1) 반도체 공정기술을 이용한 백금박막 온도센서 양산기술 개발

실리콘 기판위에 표준저항 인 온도센서 개발Pt 100 Pt 500 Pt 1000

가 센서용 백금 박막의 증착 및 증착 공정의 최적화 RTD

두께에 따른 온도선형계수 변화(TCR) ㆍ

두께의 균일도는 이내1士ㆍ

미세구조 제어 입자크기에 따른 온도선형 계수 변화 특성( (TCR) )ㆍ

우선배향성에 따른 온도선형계수 변화 특성(TCR) ㆍ

비저항은 이하12 ㆍ μΩ

나 센서용 백금 박막선의 제작을 위한 미세회로 공정의 최적화 RTD

를 제외한 센서소자 크기Pad 22mmㆍ 2 이하

SiOㆍ 2 에칭을 통한 형성 선폭 최대 에서 최소 의 범위를 갖음pattern 100 3

설계된 의 형성에 따른 미세구조 제어patternㆍ

제작된 백금 박막선의 에서의 저항0degC (Rㆍ o 은 선폭 및 길이 또는 공정에 무관하)

게 최대 최소 임1000 100 Ω Ω

제작된 백금 박막선의 온도선형계수 값은 선폭 및 길이 또는 공정에 무관(TCR)ㆍ

하게 정확하게 38510-3 이상 이어야 함

다 소자 평가

및 규격에 따라 센서회로를 설계 제작함KS JIS ㆍ 19-20) 이들 규격에 의하면 제작된

백금 박막선 저항의 양끝에 개의 도선을 접속한 선식 한쪽 끝에 개 다른 한 끝1 2 2

에 개의 토선을 접속한 선식 및 양 끝에 개의 도선을 접속한 선식이 있음1 3 2 4

선식 및 선식은 도선의 저항 효과를 없애기 위한 방식이나 생산성의 저하 우려3 4ㆍ

가 있음 따라서 선식에 의한 회로 구성을 기본으로 선 및 선식을 병행함 2 3 4

선식의 경우 백금 박막선의 저항 값2 (Rㆍ RTD 에 대하여 도선의 저항 값을 충분히)

작게 하여 배 이하 도선의 온도 상승효과를 보상함(100 )

- 17 -

제작된 백금 박막선의 온도 변화에 따른 선형 저항 변화를 유지하기 위한 본딩ㆍ

패드와 도선 접합 저항의 최소화 접촉 저항은 미만( 01 )Ω

온도 구간에서 안정하게 저항 변화를 감지하는 회로 제작-200degC ~ 500degC ㆍ

고정점 에서의 온도 저항의triple point(0degC)- Indium melting point (15659degC)ㆍ

선형성 평가

- 18 -

제 장 기술개발 내용과 방법2

- 19 -

제 장 기술개발 내용과 방법2

제 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목1

표 개발 기술의 평가방법 및 평가항목 5

온도선형계수1

온도선형계수 는 온도센서의 성능을 구별하기 위해 특정온도 구간에서의 평균기(a)

울기로 정의되며 백금의 경우 사이에서의 평균기울기로 정의된다0-100degC 19-20)

DIN22) IEC23) 등 각국의 공업규격에서는 백금측온 저항체의 경우 값으로a

000385degC-1을 규정하고 있다

=(R(100)-R(0))100R(0)α

- 20 -

표준기급 백금저항온도계의 온도변환이나 공업용 저항온도계의 보정 시에는 저항의

절대 값보다 기준온도 에 대한 상대 저항비 가 중요하게 되며 상대 저항비(0degC) (W)

값으로 온도를 계산하게 된다 본 과제에서는 업계 최초로 실리콘 기판을 사용하여

공업규격에 맞는 온도선형성을 갖는 백금박막 온도센서를 개발하고자 하였다 현재

까지 국내에서 개발된 백금박막 온도센서의 경우 온도선형계수는 38510-3 미

만으로 알려져 있다24) 기판을 사용한 경우 층을 중간층으로 사용할 경우Si MgO

값이TCR 38510-3 이상 됨을 보고한 바 있으나 상용화 되거나 일반화 되지는

못하고 있다25))

표준저항2

현재까지 가장 많이 사용되고 있는 백금박막 온도센서으 에서의 표준저항은I 0

이다 이는 지금까지의 알루미나 기판에 과 같은 방법으로 제100 screen printingΩ

작되는 온도센서 제작기술로는 백금박막의 선폭을 하로 제작하기 어려워 소100 ol

자크기에 제한이 따르기 때문이다 최근 들어 사진식각공정이나 레이저 트리밍 기

술의 발전에 따라 선폭의 감소가 이루어져 의 표준저항을 갖는 소자500 1000Ω Ω

의 상용화가 시작되고 있다 표준저항이 클수록 온도 변화에 따른 저항변화가 커서

온도분해능이 증가하는 장점이 있다 본 과제에서는 실리콘 기판에 산화막을 형성

하고 산화막에칭을 통해 선폭을 조절하므로 선폭의 조절이 까지 가능sub-micron

하여 표준저항을 용이하게 증가시킬 수 있으나 선폭저하에 따른 물성저하 등을 고

려하여 본 과제에서는 우선 표준저항 을 목표로 패턴을 디자인 하였100 1000Ω Ω

다

선폭3

선폭은 크게 두가지 측면에서 중요한 인자가 된다 선폭이 감소하면 아래 식에서

저항값을 증가시킬 수 있어 표준저항을 높이거나 같은 표준저항에서 소자크기를 작

게 할 수 있다

R = p(LA) ----------(a)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

- 21 -

그러나 선폭이 너무 작아지면 박막의 두께에 의한 효과와 같이 비저항의 감소가 있

을 수 있다5) 본 과제에서는 선폭을 로 변화시켜 본 과제에서 개2 5 10 50

발된 백금박막 증착공정의 적용여부와 온도선형계수를 조사하였다

소자크기4

소자크기는 응답속도와 직접적인 관계를 갖는다 응답속도의 경우 온도센서의 분해

능 안정도 재현성 등과 더불어 온도센서를 평가하는 중요항목 중의 하나이다 일

반적으로 시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된632

다 온도센서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름

속도에 따라 달라지며 다음과 같은 식으로 알려져 있다 826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 열전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정 A

수 값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기뿐만 아니라 기판재료로 열전도가

알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므로 시정(25WmK) (148WmK)

수가 개선될 것으로 생각된다27)

온도안정성5

온도센서 특성중의 하나인 온도안정성은 의 국제규격에 따라 두 가지IEC751 type

으로 정의된다23)

Class A = (015+0002t)士

온도Class B = (030+0003t) t土

- 22 -

대부분의 박막타입의 경우 가 적용되고 있다 본 과제에서 적용된 백금 박class B

막의 경우 상온 증착 후 후열처리를 통해 백금의 입자크기가 의 크기를 갖mm~cm

는 단결정 입자로 구성되어 온도변화에 따른 특성이 매우 양호한hysteresis loop

특성을 가지고 있다 이러한 온도안정성에 영향을 미치는 요인으로는 흡착가스의

영향 백금입자의 입자성장 기판과의 열팽창 계수 차이에서 오는 응력 등이 주요

원인이 된다18) 상기평가항목의 평가 에 맞는 온도센서를 제작하기 위하여 증spec

착공정의 개발 패턴형성공정 개발 및 소자평가등 각각의 항목에 대한 세부내역은

제 절에 나타내었다2

- 23 -

제 절 백금박막 증착공정의 개발2

그림 는 본 과제에 사용된 기의 개략도를 나타내는 그림이다 진공시스4 sputtering

템은 와 로 구성되었으며rotary turbo pump 10-3 까지는 를 사Torr rotary pump

용하고 그 이후는 와 를 사용하여rotary turbo pump 3010-6 까지 반응실의Torr

진공을 유지 할 수 있도록 설계되었다 스퍼터 방식은 하향식이며 기판온도는 SiC

를 이용하여 까지 조절할 수 있다 균일한 증착을 위해 기판의 회전수heater 700

는 으로 조정가능하며 플라즈마 가스는 아르곤을 사용하였다 증착효율을1-20rpm

높이기 위해 타게트 뒷 부위에 영구자석을 설치한 방식을magnetron sputtering

채택하였다 가스압 조절을 위해 사의 사 MKS Baratron gauge Granville-phillips

의 를 사용하였으며 를 이용하여 가스의 유량을 조절vacuum gauge controller MFC

하였다 증착속도와 증착두께는 사의 Sycon Instruments STM-100MF

와 사의 을 이용하여 실측두께와 표시두께를thicknessrate monitor Tencor -stepα

보정하여 측정하였다

그림 본 과제에서 사용된 스퍼터링 시스템의 모식도4

- 24 -

일반적으로 스퍼터링에 사용되는 가스는 타게트 물질과의 반응을 방지하기 위하여

불활성 가스 를 사용한다 금속 타게트와 플라즈마 가스와의 반응을 이(Ar Kr Xe)

용한 에서는 반응가스로reactive sputtering O2를 첨가하기도 한다28) 본 연구에서

는 스퍼터링 가스로 아르곤과 아르곤 산소 가지를 사용하였으며 기판온도는 상온+ 2

으로 고정 시켰다 가스압은 증착 는 증착된 백금 1-22 mTorr power 100-250W

박막의 비저항은 를 이용하여 면저항을 측정한 후 을 이용하4 point probe -stepα

여 측정한 두께를 곱하여 구하였다 기판으로 사용된 실리콘 웨이퍼는 thermal

법으로 의oxidation 15 SiO 2 산화막이 증착된 이다P-type Si(100)

박막증착1

증착은 기판온도 가스압력 증착 뿐만 아니라 챔버의Sputtering power geometry

도 중요한 변수 중의 하나이다 예비 실험결과 아르곤만을 가지고 제작한 온도센서

는 기판과의 부착력이 나쁘고 온도선형성이나 온도저항계수 등 제반 사항이 온도센

서 제작에는 맞지 않은 것으로 판명되었다 또한 본 과제에서 기판과의 열팽창 계

수 차이에서 오는 온도저항계수의 저하를 백금미세구조 제어로 해결하고자 하였다

즉 백금박막의 거대입성장을 유도하여 거대입자로 구성된 온도센서를 제작하였다

거대입성장을 얻기 위한 공정은 기존의 실험결과를 바탕으로 다음과 같은 최적 조

건에서 박막을 증착하였다

표 온도센서 제작을 위한 백금박막의 최적 증착조건6

기판온도 가스비 아르곤 산소( ) 증착압력 증착power 비고

상온 1915(SCCM) 5 mTorr 170W

- 25 -

증착박막의 열처리2

증착된 박막의 열처리는 일반적인 전기로를 사용하였으며 공기중에서 600~1200

영역에서 한 시간 동안 열처리 하였다 열처리 조건에 따른 의 변화에 대한 많 TCR

은 보고가 있으나 본 실험에서는 한 시간으로 고정하였다24-2529) 이는 본 과제에

적용된 거대입성장 백금박막의 경우 시간에 따른 미세구조나 물성 차이를 보이지

않기 때문이었다 또한 백금증착시 산소를 점가하는 경우 백금산화물이 형성되거나

비저항 값이 증가하므로 열처리를 통해 증착 중 첨가된 산소를 박막외부로 확산시

켜야 한다 백금산화물의 경우 반도체 산화물로서 온도저항계수가 음의 값을 갖는

다2430-33) 이러한 산소의 탈착거동을 알아보기 위해 미소열량계를 이용하여 산소의

탈착거동을 관찰하였으며 소광계수의 변화 등을 관찰하였다 소광계수 측정을 위한

박막의 열처리는 진공분위기 에서 써머커플을 기판에 접촉시켜 측정하였(50 mTorr)

다

박막의 물성 측정3

두께 및 비저항 측정3-1

박막의 두께는 사의 을 이용하여 측정하였다 시편에 를 내Tencor -step scratchα

서 박막이 일부를 제거한 후 그 단차를 측정하여 두께를 측정한 후 4-point probe

로 측정한 면저항 값을 곱하여 비저항 값을 얻었다

미세구조 관찰3-2

박막의 입자크기는 이하이므로AS-depo 1000 TEM(Transmission ElectronÅ

관찰을 하였다 슬라이드에 시편을 붙이고 사포를 이용하여 이하Microscopy) 80

까지 연마한 후 하였다 한 시편을 직경 의 에 부착시dimpling dimpling 3 Cu grid

켜 을 하며 이 과정에서 입자충돌에 따른 국부적인 온도상승에 의한 박ion milling

막의 미세구조 변화를 막기 위해 액체질소를 이용하여 냉각하였다 열처리이후에는

를 이용하여 미세구조를 관찰하였다 거대입SEM(Scanning Electron Microscope)

성장의 관찰을 위해서는 광학현미경을 이용하여 입계를 관찰한 후 으로 보다SEM

자세한 입계면과 미세구조를 관찰하였다

결정성 분석3-3

박막의 결정성과 백금산화물의 상형성을 알아보기 위해 정도의 시편을 만1 x1

들어 사의 선 회절기로 을 얻었다 는MAC science X XRD pattern X-ray Cu Ka line

을 사용하였다( =15405 ) λ Å

- 26 -

첨가가스의 탈착 거동3-4

산소가스의 탈착 거동은 미세 열량분석계 와 를 이용하였다(DTA) ellipsometer DTA

는 반응생성물에 따라 계에 출입하는 미세 열량변화를 측정하여 계의 화학 반응온

도 등을 측정할 수 있는 측정 장비이다 는 특수한 광도계 Ellipsometer (

의 하나이며 빛의 편광상태의 변화를 측정하여 표면 및 박막의 구조와photometry)

물성 물질의 광특성 등을 연구하는데 사용되는 정밀 측정 기기이다

시료의 물성과 구조에 따라 반사 또는 투과광의 편광상태는 예민하게 변하므로 편

광상태 변화의 측정 및 분석을 통하여 시료의 물성과 구조에 대한 정보를 정밀하게

얻을 수 있어서 반도체 산업에서 산화막의 두께 및 두께 분포의 측정을 포함하여

박막 등의 분석에 널리 이용되고 있다

최근 반도체 광학재료의 제조 공정에 있어서 공정 제어를 위한 실시간 측정의 필

요성이 증대되고 있다 이에 따라 시료의 표면 상태와 박막의 구조 해석에 뛰어난

능력이 인정된 타원해석기를 이용하는 사례가 증가하고 있다

는 크게 나누어 와 단파장Ellipsometer spectroscopic ellipsometer(SE)

로 나눌 수 있는데 는 구조가 복잡하거나 물성이 알려져 있지 않은ellipsometer SE

시료의 기계적 두께 전자적 흡수단 구조 해석에 유리하지만 증착 에칭 열처리( ) ( )

표면반응 등의 공정 관측에는 거의 연속적인 데이터 획득이 유리한 단파장 타원해

석기가 널이 이용되고 있다 본 과제에서는 반사된 광원의 와 를 측정하 tan cosψ

여 굴절율 과 소광계수 값을 측정하였다(n) (k)

- 27 -

제 절 패턴 제작 공정의 개발3

일반적으로 금속의 저항은 다음의 식으로 표시된다

R = p(LA) -------------- (A)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 단면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

금속의 저항은 위와 같은 형태학적인 변수 외에 온도 등에도 의존하게 되는데 Pt

등의 경우 이러한 금속의 저항이 온도에 대해 선형적으로 증가하는 특Ni Cu W

성을 가지고 있다 이러한 온도저항 특성을 이용하여 주변의 온도를 감지하는 측온

저항체 온도센서로 많이 사용되고 있다 이러한 온도센서는 주변 온도에 대하여 다

음의 관계식을 갖는다

R(T) = R0 + TR0

온도 에서의 저항R(T) T Ro 기준점 에서의 저항 온도선형계수 측정온 (O ) T α

도

물질에 따라 온도선형계수 는 정해져 있으며 형태변수식 에 의한 금속의 저( ) (A)α

항 값이 높을수록 온도변화에 대한 저항변화 값이 증가하여 정확한 온도를 측정할

수 있다 소자의 경향에 따라 작은 크기의 미세소자로 원하는 기능을 輕薄短小化

얻고자 하는 것이 기술적인 경향이다 따라서 박막 기술을 이용한 금속 박막 온도

센서의 제작이 활발히 이루어지고 있으며 일부 제품의 경우 제품화되어 사용되고

있다 금속의 종류에 따라 특성을 나타내기 위한 최소의 박막 두께가 정해지 bulk

며 일정 두께 이하에서는 특성을 나타내지 못하게 된다 따라서 안정한 소자bulk

를 얻기 위해서는 일정 두께 이상의 박막두께가 필요하게 된다5) 백금저항소자의

경우 마이크로미터 이상의 두께가 필요한 것으로 알려져 있다 박막의 두께가10

일정할 때 저항 값의 조절은 패턴의 선폭에 의하여 조절되게 된다 이러한 선폭을

조절하기 위하여 기존에 사용되는 방법은 레이저트리밍 습식 식각 건식 식각 등의

방법이 사용된다 선폭의 조절이나 소자의 열화와 같은 문제가 발생할 수 있다

- 28 -

본 과제에서는 박막형 온도센서 제작에 있어 실리콘 기판위에 절연층의 식각을 통

해 원하는 패턴을 미리 형성하고 금속을 증착하여 온도센서를 제조함으로써 백금박

막의 저항조절을 용이하게 하고 소자의 내구성 향상과 소자크기를 소형화한 온도센

서를 제작하고자 하였다 그림 는 본 과제의 온도센서 제조공정을 나타내는 그림 5

이다 공정의 용이성에 따라 절연막 코팅을 패드보호막 형성 이후에 진행할 수도

있다

그림 당 과제에서 개발한 매립형 백금박막 온도센서 제조공정 모식도 5

- 29 -

제 절 소자 평가4

백금저항 온도센서의 여러 가지 물성 측정은 규정에 따른다KS C 1603-1991 19)

이에 따르면 온도특성 전기적 특성 기계적 특성에 대한 측정으로 크게 구별 될 수

있다 온도특성에는 온도에 대한 허용오차 안정도 자기 가열특성 등이 있으며 전

기적 특성에는 절연저항 내전압 등이 있고 기계적 특성으로는 내충격성과 내진동

성 등의 세부 항목들이 있으며 각각의 특성치를 시험하기 위한 방법이 규정되어 있

다

국제온도눈금 규격 에(ITS-1990 The International Temperature Scale of 1990)

의하면 평형수소의 삼중점 부터 은의 응고점 까지의 영역에서는(138033K) (96178)

에서 정의된 고정점들 사이를 내삽해 주는 기준함수 및 편차함수를 사용ITS-1990

하여 교정된 백금저항온도계에 의해 정의되도록 하고 있다 따라서 온도센서의 검

교정은 사용영역 내에서의 고정점들과 표준온도계의 온도저항 특성을 비교함으로써

얻을 수 있다 본 과제에서는 제작된 온도센서 및 상용센서의 평가를 위해 한국표

준과학연구원의 온도연구실에 있는 장비를 이용하였다 리드선의 저항오차를 최대

한 줄이기 위해 선 결선 방법을 택하였으며 리드선으로 직경 의 백금 선4 02 mm

을 사용하였다 물의 삼중점 주석의 녹는점 아연의 녹는점 등의 고정점 개와 항 3

온조를 이용한 50~ 도 사이의 온도 범위에서 측정점을 정하여 백금표준온도450

저항값과 제작된 온도센서의 저항값을 측정하여 온도선형계수 및 고온에서의 허용

오차 등을 측정하였다 측정조건은 를 사용하여 규정전류 HP 3458 multimeter 1mA

를 회로상에 흐르도록 구성한 뒤 저항값을 소수 째 자리까지 측정하여 유효 숫자4

는 소수 자리까지 사용하였다 일정한 온도를 얻기 위하여 사용되는 항온조는 온3

도영역에 따라 이하의 저온 영역은 알콜 영역에서는 에틸렌 글리0 0~100

콜 은 실리콘 오일을 사용하였으며 원하는 온도에 이른 후 평형을 100~200

위하여 분 이상 기다린 다음 표준저항기와 온도센서의 저항값을 각각 회씩 측30 3

정하여 평균값을 취하였다

- 30 -

에서는 저항기의 기준값으로 를 물의 삼중점 의 저ITS-1990 R (27316K=001 )

항 값으로 취하고 있다 정점의 실현은 녹는점 또는 어는점에서 잠열의 출입과 관

계없이 일정한 온도를 유지하는 특성을 이용한 것으로 녹는점 부근에서의 열량 조

절이 매우 중요하다 주석과 아연의 녹는점 실현을 위한 로는 석영관 내부에 주석

과 아연이 들어 있는 가 있고 표준저항기와 측정하고자 하는 온도센서thermal bath

가 들어가 있는 작은 석영관으로 이루어진 이중 구조로 되어있다 녹는점의 실현

을 위해서는 정밀한 저항 조절을 통한 온도제어가 필요하다 이를 위해 사용되는

기기로는 등이 사용되는데 이는current comparator resistance bridge 10-7 ohm

정도의 저항 조절이 가능한 장비이며 이를 온도로 환산하면 정도의 고정001mK

밀도를 가진다

- 31 -

제 장 기술개발결과3

- 32 -

제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금 박막의 필요성1

백금 박막은 백금 자체의 온도 저항 특성을 이용한 온도센서 및 로서의 응용 heater

과 촉매로서의 활용도 활발하게 이루어지고 있다 박막온도센서로의 응용을 위해서

는 온도변화에 따른 저항 변화계수(Temperature Coefficient of Resistance TCR)

가 중요한데 규정값(38510-3 이상의 을 얻기 위해서는 백금의 두께가 ) TCR 1

이상이 되어야 한다고 알려져 있다 5) 그림 은 백금박막의 두께에 따른 의6 TCR

변화를 나타내는 그림이다 은 두께뿐만 아니라 백금 박막의 미세구조 불순물 TCR

기판의 열팽창 계수 등 여러 가지 요인에 의존한다 이러한 여러 변수 중 두께 및

미세구조 조절은 순도와 함께 최적의 온도 저항 계수를 위한 중요 변수로 작용하는

것으로 알려져 있다18-20)

그림 두께에 따른 온도저항계수의 변화 6 5)

실리콘 기판 위의 백금증착은 앞서 설명한 바와 같이 열팽창 계수의 차이 부착력

문제 등으로 원하는 을 얻기 어렵다 백금의 열팽창 계수는TCR 8910-6 로 경우degc

실리콘에(2610-6 비해 높은 값을 가지며 온도 에서 다음과 같은 저항체 길degC) T

이의 변화를 유발하게 된다

- 33 -

L(T)=L(o)(1+ (Tα t-To)

백금과 기판의 열팽창 계수 차이 온도 Tα

특히 기판의 열팽창 계수가 작으면 백금저항의 감소를 유발하게 되어 저하의 TCR

원인이 된다 따라서 기존 상용제품의 경우 대부분이 백금과 열팽창 계수 차이가

없고 부착력이 좋은 알루미나를 기판재료로 사용하고 있다 본 과제의 거대 입성장

된 백금박막은 이러한 열팽창 계수의 차이에서 오는 부의 효과를 미세구조의 조절

을 통해 극복하고자 하였다

에 영향을 미치는 접착증을 사용하지 않으면서 백금박막의 접착력 증진을 위TCR

한 방법은 기존의 이노스텍 특허 기술을 이용하여 증착할 수 있다36) 이 경우 백금

박막의 미세구조는 그림 과 같이 일반적인 구조의 백금박막을 얻을 수7 columnar

있다 그러나 이 경우 은 TCR 38010-3 정도로 온도센서로 사용가능한 규격 인

38010-3 에 크게 못 미침을 예비 실험을 통하여 알 수 있었다

그림 일반적인 백금박막의 미세구조를 나타내는 전자 현미경 사진 7

- 34 -

또한 승온과 냉각과정에서 같은 온도에서의 저항값이 서로 다른 특성을hysteresis

나타내었다 이는 온도의 상승에 따라 열팽창계수의 차이에 의한 응력이나 접착력

변화에서 기인되는 문제로 생각되었다 백금 박막의 미세구조를 단결정에 가깝게

제작할 수 있다면 입계면에서의 에 기인하는 저항변화 를 제거 할 수scatting factor

있다 본 과제에서는 이를 위하여 백금의 거대입성장 현상을 이용하여 두께 에 1

서 수 의 입자크기를 갖는 백금박막을 온도센서 소자로 사용하였다 거대입mm~cm

성장 박막의 증착 조건 등은 표 에 표시하였다6

- 35 -

거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

- 36 -

그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

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제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 2000

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22) DIN 43760

- 60 -

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감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

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일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

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제 장 서 론1

- 8 -

제 장 서 론1

제 절 온도센서의 종류1

온도센서는 크게 접촉식과 비접촉식으로 나뉠 수 있으며 비접촉식 센서는 주로 측

정하고자하는 부위에서 발생하는 열파장을 측정하는 방식으로 주로 산업 또는 연

구의 목적으로 이용되어 진다 일반적으로 산업 및 일상생활에서 이용되는 것은 접

촉식 온도 센서로 이에 해당하는 것으로는 열전대식 써미스터(Thermocouple)

및 측온저항체 온도센(Thermistor) (Resistance temperature detector RTD) IC

서 등이 있다 표 은 접촉식 온도센서의 종류에 따른 특성을 나타내는 표이다 1

표 접촉식 온도센서 종류에 따른 제반 특성 1

RTD

백금저항온도센서( )Thermocouple Thermistor

Temperature

Range-200 ~850

-190 ~

18210 ~ 300

Accuracy plusmn0001degF to 01degF plusmn1degF to 10degF High

Response Time Moderate Fast Fast

StabilityStable over long periods

lt01 error5 yr

Not as stable

1degF erroryrGood stability

Linearity Best Moderate Non-linear

Sensitivity High sensitivity Low sensitivity High sensitivity

접촉식 온도센서의 세계시장 동향을 살펴보면1-2) 년 이후 써모커플시장 규모는95

동결내지는 감소하고 있으며 써미스터는 낮은 성장률을 보이고 있는 반면에 백금저

항온도계의 시장은 접촉식 온도센서 중에서 높은 성장률을 보이고 있다 이는 써모

커플의 경우 사용영역은 넓으나 정확도에 문제가 있고 써어미스터의 경우 자기가열

효과가 크고 외부 충격에 의한 손상의 가능성이 높아 수요가 한정되기 때문으로 생

각된다 반면 백금저항 온도센서는 온도정확성 및 신뢰도가 매우 높고 박막형 소자

개발에 따른 단가 하락 및 소형화가 가능하여 수요가 증가했기 때문으로 생각된다

- 9 -

제 절 백금저항 온도센서2

는 등과 같은 금속과 함께 의Pt Ru Rh Pd Os Ir platinum group metal (PGM)

하나로 내식성이 강하며 촉매효과가 크고 다른 금속에 비하여 내산화성이 강한 물

질로 알려져 있다3) 또한 온도에 따른 저항변화의 특성이 직선적인 특성을 가지고

있어 온도센서나 로 사용되고 있다heater 4-5) 표 에 백금의 물리적 특성을 정리2

하였다

표 백금의 물리적 성질 2

백금저항 온도센서는 외부의 온도 변화에 따른 백금의 저항 변화를 이용한 방식으

로 현재 실용화되어 있는 온도 센서 중에서 안정도와 감도가 매우 높아 고정밀의

온도 계측이 가능한 센서이다 또한 기준 접점에 대한 보상회로가 불필요하므로 간

단한 부가회로를 이용하여 온도에 대하여 직선적 출력을 얻을 수 있으며 이에 따

라 센서의 신뢰도가 매우 높은 장점을 갖고 있다6-7) 그림 은 상용화되어 있는 백1

금저항 온도센서를 나타내고 있다

- 10 -

(a) (b) (c)

그림 백금저항 온도센서의 종류 세선가공형 세라믹봉입형 박막형 1 (a) (b) (c)

이제까지 상용화된 백금저항 온도센서는 운모판에 백금선을 감은 운모형 세라믹

튜브내에 백금코일을 넣고 봉입한 세라믹형 및 백금코일을 저융점 유리로 molding

한 유리형이 광범위하게 사용되어 왔다8) 이들 센서는 고순도의 백금선으로 만들어

지기 때문에 기계적 특성 진동 충격 등 이 나쁘며 백금코일제작 및 에 많( ) molding

은 시간이 소요된다 또한 세라믹 봉입형의 경우 센서의 소형화가 어렵고 온도감응

속도가 느리며 생산비가 고가인 단점을 가지고 있다 이러한 단점을 극복하기 위해

최근에는 고도의 박막기술을 이용한 백금박막 온도센서의 개발이 매우 중요하게 되

었다 박막기술을 이용할 경우 온도센서의 소형화 및 신뢰성 향상은 물론이며 생산

비의 절감과 생산성 향상에 따른 경제적 파급효과가 매우 클 것으로 기대되고 있

다 지금까지 개발된 백금박막 온도센서의 경우 접착력과 기판과의 열팽창 계수의

차이에서 발생하는 문제로 인해 기판재료로 알루미나를 주로 사용하여 왔다59-11)

현재 백금박막 온도센서를 상용화한 회사로는 Heraeus Jumo(Germany) Hayashi

등의Denko (Japan) Minco Hycal(USA) Sentek(Taiwan) Xian Diamond(China)

회사가 있다

- 11 -

제 절 백금저항 온도센서 이론3

에 따르면 금속의 저항은 격자산란과 결함에 의한 산란 두가지Matthiessens rule

형태의 산술합으로 나타낼 수 있으며 다음의 식으로 표현된다

p = pi(T) + p

양자역학에 의하면 금속전도체 내에서의 전기전도는 전자에 의한 것임을 알 수 있

다12-14) 이상적인 결정체 격자진동도 존재하지 않는 상태 금속에서의 전도는 에( )

너지 손실 저항 없이 이루어질 수 있다 그러나 실제 금속에서는 격자진동과 결함( )

구조결함 불순물 등 이 존재하며 이들이 전기전도를 방해하는 저항으로 작용한다( )

전도전자가 충돌하기 전까지 진행한 평균길이를 전자의 평균자유행로라 하며(mean

라 하며 일반적으로 평균자유행로가 길수록 전기저항율은 작아짐을 알free path)

수 있다 표 은 금속의 전기저항율과 평균자유행로를 나타내는 표이다 3

표 금속에서의 평균자유행로 저항율 의 값 3 Debye temp 12-14)

격자진동 에 의한 저항은(phonon) pi 로 결함에 의한 저항은 로 나타낼 수 있(T) p

고 재료의 전체 저항율은 위의 로 나타낼 수 있다matthiessenrsquos rule

- 12 -

에서Matthiessens rule pi 는 과 전도전자의 충돌에 의한 저항율의 변화(T) phonon

를 나타내는 것이며 저항온도계의 온도 저항 특성을 결정하는 항이다 이론 Debye

에12) 의하면 pi 는 온도(T) Debye ( = hvθ max 를 기준으로 온도의존성이 다음과 같k)

이 나타나게 된다

pi(T) Tcong n for Tlt n = 5θ

pi(T) T for T gtθcong

표 에 여러 재료의 온도가 나타나 있다 온도 이상의 영역에서3 Debye Debye

에 의한 저항율의 온도의존성은 차 함수에 비례하는 것으로 생각할 수 있phonon 1

다 온도에 따라 저항율이 일정하기 위해서는 의 항이 온도 matthiessenrsquos rule p

의 존성이 없어야 하지만 실제로 Po = Po 값으로 온도의존성을 가지며+ (Tp)

여기에 영향을 미치는 인자는 크게 다음과 같이 나눌 수 있다18)

화학적 요인 조성 불순물 산화 기체의 흡수 등( )

물리적요인 격자결함 구조결함 공극 격자간원자 전위 적층결함 입계 등( )

기계적요인 외력 변형 변위 등( ) (stress) (strain)

온도센서 제조시 온도에 따른 의 제거가 소자의 정밀도 안정성 등을 결정하(Tp)

는 요인이 된다 조성의 경우 타켓의 순도에 의해 결정되므로 공정조절을 통해 조

절할 수는 없지만 가능하면 백금의 증착시에 기초 진공을 낮추어 주는 것이 좋다

(10-6 이하 표 는 불순물 농도에 따른 온도저항변화율을 나타내는 표이다Torr ) 4

표 불순물 농도에 따른 온도저항율 변화 4 18)

불순물 n(times10α -6)(ppm)

Ag 023

Rh 019

Si 027

Ru 018

Fe 078

Au 006

- 13 -

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적4

센서에 대한 연구 개발은 반도체 메모리 및 에너지 산업과 더불어 년대의 핵2000

심 첨단 산업의 하나로서 년대 이후 여러 분야에서 지속적으로 진행되어 오1980

고 있다 특히 초창기의 벌크 또는 후막식 센서에서 최근에는 고감도 및 대량 생산

이 용이한 박막형 센서에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다 박막형 센서는

박막의 특징인 소형화 및 정밀화가 가능하여 그 응용 범위가 제한이 없을 정도로

매우 유망한 분야이다 백금저항 온도센서는 그림 에 나타난 바와 같이 자동차 2

산업체 공정제어용 뿐만 아니라 백색가전 등 일상생활 전 분야에 폭넓게 이용되고

있으며 그 규모가 년 현재 전 세계적으로 약 억 달러에 이르렀으며 그 규모2002 10

가 성장하고 있는 매우 유망한 분야이다 특히 고성능 고정밀도를 갖는 백금박막

온도 센서 시장 규모의 증가는 써미스터나 써머커플의 시장 성장 속도에 비하여 매

무 높은 것으로 알려져 있다1-2)

그림 백금온도센서의 응용분야 2 15)

- 14 -

기존의 백금박막 온도센서 소자는 접착력 등의 문제로 알루미나 기판을 사용하여

제작되고 있다9-1115) 알루미나 기판 위에 원하는 금속박막을 증착한 후 일정한 저

항값을 얻기 위하여 금속박막을 레이저 트리밍 습식 식각 그리고 플라즈마 에칭과

같은 건식 식각을 통해 패턴을 형성하게 된다 알루미나 기판을 사용할 경우 증착

하는 금속박막의 두께가 마이크론 정도의 두께이므로 기판의 표면 거칠기를 정밀하

게 조절하기 위해 기판 표면 가공이 필요하게 된다 또한 표면 가공 후 금속박막의

부착력 증진을 위해 알루미나 기판 표면을 코로나 방전처리를 하기도 한다11) 이러

한 표면가공에는 많은 비용이 소요되어진다 금속박막의 패턴 형성을 위해 사용되

는 레이저 트리밍의 경우 레이저 가공에 의한 소자 열화 문제와 수율 등이 문제시

되며 감광막을 이용한 금속박막의 습식 식각에서는 식각의 진행 정도에 따라 용액

의 농도가 변화하여 식각 속도의 조절에 어려움이 있다 또한 금속 박막의 식각 속

도나 식각 양상에 따라 패턴 선폭이 제한되기도 한다 그림 은 레이저트리밍 이나 3

습식식각 공정을 통하여 제작된 백금 패턴을 보여주고 있다 식각 방법으로 패턴을

제작할 경우에는 가변저항을 만들어주어 패턴 형성 후에 저항을 조절하기도 한

다16) 건식 식각의 경우 비교적 정확하게 패턴을 형성할 수 있으나 금속에 따라서

는 식각된 금속 박막이 에칭 벽면에 달라붙어 정확한 패턴 형성에 어려움이 있으며

고가의 장비를 사용해야하는 단점이 있다17)

레이저 트리밍에 의한 패턴 형성(a)

식각 방법에 의한 패턴 형성(b)

그림 알루미나 기판을 사용한 상용센서의 패턴 형성 방법 3

- 15 -

기판을 사용할 경우 반도체 공정에 공정이 가능하고 가공 등이 용이하Si in-line

며 산화물 박막을 이용한 기능성 소자와 결합된 복합화 센서 를 제(hybride-sensor)

조할 수 있다는 장점을 가지고 있으나 박막과의 부착력이Pt AI2O3 기판에 비하여

크게 떨어지는 단점을 가지고 있다 SiO2 기판과 박막과의 부착력 증진을 위해pt

서는 산화물과 반응성이 좋은 등을 접착층으로 쓰거나Ti Cr 5) 고온 로 표 Plasma

면처리를 하는 방법이 사용되고 있으나 접착증의 사용은 백금박막의 온도선형 계수

를 저하시키고518) 시간에 따른 경시변화를 유발하며 고온 를 사용하는 경plasma

우에는 가격경쟁력과 수율에 문제가 있다

본 과제에서는 이노스텍이 보유하고 있는 기판 위에 백금증착기술과 미세패턴형Si

성 기술을 이용하여 실리콘 기판 위에 절연층을 형성하고 절연층을 식각한 후 금속

박막을 증착하여 패턴을 형성하는 것으로 다음과 같은 장점을 가지고 있다 기판으

로 기존의 알루미나 대신 실리콘 기판을 사용하여 온도센서로 사용할 경우 기판의

열전도가 커서 센서 소자의 응답특성을 향상시킬 수 있다 SiO2 절연층의 식각은

백금박막의 식각에 비하여 선폭 조절이 용이하고 균일도를 향상시킬 수 있으며 기

존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여 까지 선폭을sub-micron

조절할 수 있어 소자의 크기를 획기적으로 작게 할 수 있다 소자 크기의 감소는

응답특성 뿐만 아니라 생산단가를 낮출 수 있는 장점이 있다 또한 실리콘 기판을

사용할 경우 반도체 칩 내부에 온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시 반도체소자

오동작의 주요원인으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계 하여

해결할 수 있는 장점이 있다 또한 백금 박막이 식각된 Si02 표면 안쪽에 증착됨으

로써 후 공정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하여 내구성

을 증진시킬 수 있다

세계 최고의 반도체 단위 공정기술을 가지고 있는 한국에서 실리콘 기판을 사용 하

여 백금박막 온도센서를 제작할 수 있다면 기존 온도센서 시장으로의 진입 및 시

장 선도가 매우 유망 할 수 있다고 판단된다

- 16 -

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표5

최종목표(1) 반도체 공정기술을 이용한 백금박막 온도센서 양산기술 개발

실리콘 기판위에 표준저항 인 온도센서 개발Pt 100 Pt 500 Pt 1000

가 센서용 백금 박막의 증착 및 증착 공정의 최적화 RTD

두께에 따른 온도선형계수 변화(TCR) ㆍ

두께의 균일도는 이내1士ㆍ

미세구조 제어 입자크기에 따른 온도선형 계수 변화 특성( (TCR) )ㆍ

우선배향성에 따른 온도선형계수 변화 특성(TCR) ㆍ

비저항은 이하12 ㆍ μΩ

나 센서용 백금 박막선의 제작을 위한 미세회로 공정의 최적화 RTD

를 제외한 센서소자 크기Pad 22mmㆍ 2 이하

SiOㆍ 2 에칭을 통한 형성 선폭 최대 에서 최소 의 범위를 갖음pattern 100 3

설계된 의 형성에 따른 미세구조 제어patternㆍ

제작된 백금 박막선의 에서의 저항0degC (Rㆍ o 은 선폭 및 길이 또는 공정에 무관하)

게 최대 최소 임1000 100 Ω Ω

제작된 백금 박막선의 온도선형계수 값은 선폭 및 길이 또는 공정에 무관(TCR)ㆍ

하게 정확하게 38510-3 이상 이어야 함

다 소자 평가

및 규격에 따라 센서회로를 설계 제작함KS JIS ㆍ 19-20) 이들 규격에 의하면 제작된

백금 박막선 저항의 양끝에 개의 도선을 접속한 선식 한쪽 끝에 개 다른 한 끝1 2 2

에 개의 토선을 접속한 선식 및 양 끝에 개의 도선을 접속한 선식이 있음1 3 2 4

선식 및 선식은 도선의 저항 효과를 없애기 위한 방식이나 생산성의 저하 우려3 4ㆍ

가 있음 따라서 선식에 의한 회로 구성을 기본으로 선 및 선식을 병행함 2 3 4

선식의 경우 백금 박막선의 저항 값2 (Rㆍ RTD 에 대하여 도선의 저항 값을 충분히)

작게 하여 배 이하 도선의 온도 상승효과를 보상함(100 )

- 17 -

제작된 백금 박막선의 온도 변화에 따른 선형 저항 변화를 유지하기 위한 본딩ㆍ

패드와 도선 접합 저항의 최소화 접촉 저항은 미만( 01 )Ω

온도 구간에서 안정하게 저항 변화를 감지하는 회로 제작-200degC ~ 500degC ㆍ

고정점 에서의 온도 저항의triple point(0degC)- Indium melting point (15659degC)ㆍ

선형성 평가

- 18 -

제 장 기술개발 내용과 방법2

- 19 -

제 장 기술개발 내용과 방법2

제 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목1

표 개발 기술의 평가방법 및 평가항목 5

온도선형계수1

온도선형계수 는 온도센서의 성능을 구별하기 위해 특정온도 구간에서의 평균기(a)

울기로 정의되며 백금의 경우 사이에서의 평균기울기로 정의된다0-100degC 19-20)

DIN22) IEC23) 등 각국의 공업규격에서는 백금측온 저항체의 경우 값으로a

000385degC-1을 규정하고 있다

=(R(100)-R(0))100R(0)α

- 20 -

표준기급 백금저항온도계의 온도변환이나 공업용 저항온도계의 보정 시에는 저항의

절대 값보다 기준온도 에 대한 상대 저항비 가 중요하게 되며 상대 저항비(0degC) (W)

값으로 온도를 계산하게 된다 본 과제에서는 업계 최초로 실리콘 기판을 사용하여

공업규격에 맞는 온도선형성을 갖는 백금박막 온도센서를 개발하고자 하였다 현재

까지 국내에서 개발된 백금박막 온도센서의 경우 온도선형계수는 38510-3 미

만으로 알려져 있다24) 기판을 사용한 경우 층을 중간층으로 사용할 경우Si MgO

값이TCR 38510-3 이상 됨을 보고한 바 있으나 상용화 되거나 일반화 되지는

못하고 있다25))

표준저항2

현재까지 가장 많이 사용되고 있는 백금박막 온도센서으 에서의 표준저항은I 0

이다 이는 지금까지의 알루미나 기판에 과 같은 방법으로 제100 screen printingΩ

작되는 온도센서 제작기술로는 백금박막의 선폭을 하로 제작하기 어려워 소100 ol

자크기에 제한이 따르기 때문이다 최근 들어 사진식각공정이나 레이저 트리밍 기

술의 발전에 따라 선폭의 감소가 이루어져 의 표준저항을 갖는 소자500 1000Ω Ω

의 상용화가 시작되고 있다 표준저항이 클수록 온도 변화에 따른 저항변화가 커서

온도분해능이 증가하는 장점이 있다 본 과제에서는 실리콘 기판에 산화막을 형성

하고 산화막에칭을 통해 선폭을 조절하므로 선폭의 조절이 까지 가능sub-micron

하여 표준저항을 용이하게 증가시킬 수 있으나 선폭저하에 따른 물성저하 등을 고

려하여 본 과제에서는 우선 표준저항 을 목표로 패턴을 디자인 하였100 1000Ω Ω

다

선폭3

선폭은 크게 두가지 측면에서 중요한 인자가 된다 선폭이 감소하면 아래 식에서

저항값을 증가시킬 수 있어 표준저항을 높이거나 같은 표준저항에서 소자크기를 작

게 할 수 있다

R = p(LA) ----------(a)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

- 21 -

그러나 선폭이 너무 작아지면 박막의 두께에 의한 효과와 같이 비저항의 감소가 있

을 수 있다5) 본 과제에서는 선폭을 로 변화시켜 본 과제에서 개2 5 10 50

발된 백금박막 증착공정의 적용여부와 온도선형계수를 조사하였다

소자크기4

소자크기는 응답속도와 직접적인 관계를 갖는다 응답속도의 경우 온도센서의 분해

능 안정도 재현성 등과 더불어 온도센서를 평가하는 중요항목 중의 하나이다 일

반적으로 시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된632

다 온도센서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름

속도에 따라 달라지며 다음과 같은 식으로 알려져 있다 826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 열전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정 A

수 값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기뿐만 아니라 기판재료로 열전도가

알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므로 시정(25WmK) (148WmK)

수가 개선될 것으로 생각된다27)

온도안정성5

온도센서 특성중의 하나인 온도안정성은 의 국제규격에 따라 두 가지IEC751 type

으로 정의된다23)

Class A = (015+0002t)士

온도Class B = (030+0003t) t土

- 22 -

대부분의 박막타입의 경우 가 적용되고 있다 본 과제에서 적용된 백금 박class B

막의 경우 상온 증착 후 후열처리를 통해 백금의 입자크기가 의 크기를 갖mm~cm

는 단결정 입자로 구성되어 온도변화에 따른 특성이 매우 양호한hysteresis loop

특성을 가지고 있다 이러한 온도안정성에 영향을 미치는 요인으로는 흡착가스의

영향 백금입자의 입자성장 기판과의 열팽창 계수 차이에서 오는 응력 등이 주요

원인이 된다18) 상기평가항목의 평가 에 맞는 온도센서를 제작하기 위하여 증spec

착공정의 개발 패턴형성공정 개발 및 소자평가등 각각의 항목에 대한 세부내역은

제 절에 나타내었다2

- 23 -

제 절 백금박막 증착공정의 개발2

그림 는 본 과제에 사용된 기의 개략도를 나타내는 그림이다 진공시스4 sputtering

템은 와 로 구성되었으며rotary turbo pump 10-3 까지는 를 사Torr rotary pump

용하고 그 이후는 와 를 사용하여rotary turbo pump 3010-6 까지 반응실의Torr

진공을 유지 할 수 있도록 설계되었다 스퍼터 방식은 하향식이며 기판온도는 SiC

를 이용하여 까지 조절할 수 있다 균일한 증착을 위해 기판의 회전수heater 700

는 으로 조정가능하며 플라즈마 가스는 아르곤을 사용하였다 증착효율을1-20rpm

높이기 위해 타게트 뒷 부위에 영구자석을 설치한 방식을magnetron sputtering

채택하였다 가스압 조절을 위해 사의 사 MKS Baratron gauge Granville-phillips

의 를 사용하였으며 를 이용하여 가스의 유량을 조절vacuum gauge controller MFC

하였다 증착속도와 증착두께는 사의 Sycon Instruments STM-100MF

와 사의 을 이용하여 실측두께와 표시두께를thicknessrate monitor Tencor -stepα

보정하여 측정하였다

그림 본 과제에서 사용된 스퍼터링 시스템의 모식도4

- 24 -

일반적으로 스퍼터링에 사용되는 가스는 타게트 물질과의 반응을 방지하기 위하여

불활성 가스 를 사용한다 금속 타게트와 플라즈마 가스와의 반응을 이(Ar Kr Xe)

용한 에서는 반응가스로reactive sputtering O2를 첨가하기도 한다28) 본 연구에서

는 스퍼터링 가스로 아르곤과 아르곤 산소 가지를 사용하였으며 기판온도는 상온+ 2

으로 고정 시켰다 가스압은 증착 는 증착된 백금 1-22 mTorr power 100-250W

박막의 비저항은 를 이용하여 면저항을 측정한 후 을 이용하4 point probe -stepα

여 측정한 두께를 곱하여 구하였다 기판으로 사용된 실리콘 웨이퍼는 thermal

법으로 의oxidation 15 SiO 2 산화막이 증착된 이다P-type Si(100)

박막증착1

증착은 기판온도 가스압력 증착 뿐만 아니라 챔버의Sputtering power geometry

도 중요한 변수 중의 하나이다 예비 실험결과 아르곤만을 가지고 제작한 온도센서

는 기판과의 부착력이 나쁘고 온도선형성이나 온도저항계수 등 제반 사항이 온도센

서 제작에는 맞지 않은 것으로 판명되었다 또한 본 과제에서 기판과의 열팽창 계

수 차이에서 오는 온도저항계수의 저하를 백금미세구조 제어로 해결하고자 하였다

즉 백금박막의 거대입성장을 유도하여 거대입자로 구성된 온도센서를 제작하였다

거대입성장을 얻기 위한 공정은 기존의 실험결과를 바탕으로 다음과 같은 최적 조

건에서 박막을 증착하였다

표 온도센서 제작을 위한 백금박막의 최적 증착조건6

기판온도 가스비 아르곤 산소( ) 증착압력 증착power 비고

상온 1915(SCCM) 5 mTorr 170W

- 25 -

증착박막의 열처리2

증착된 박막의 열처리는 일반적인 전기로를 사용하였으며 공기중에서 600~1200

영역에서 한 시간 동안 열처리 하였다 열처리 조건에 따른 의 변화에 대한 많 TCR

은 보고가 있으나 본 실험에서는 한 시간으로 고정하였다24-2529) 이는 본 과제에

적용된 거대입성장 백금박막의 경우 시간에 따른 미세구조나 물성 차이를 보이지

않기 때문이었다 또한 백금증착시 산소를 점가하는 경우 백금산화물이 형성되거나

비저항 값이 증가하므로 열처리를 통해 증착 중 첨가된 산소를 박막외부로 확산시

켜야 한다 백금산화물의 경우 반도체 산화물로서 온도저항계수가 음의 값을 갖는

다2430-33) 이러한 산소의 탈착거동을 알아보기 위해 미소열량계를 이용하여 산소의

탈착거동을 관찰하였으며 소광계수의 변화 등을 관찰하였다 소광계수 측정을 위한

박막의 열처리는 진공분위기 에서 써머커플을 기판에 접촉시켜 측정하였(50 mTorr)

다

박막의 물성 측정3

두께 및 비저항 측정3-1

박막의 두께는 사의 을 이용하여 측정하였다 시편에 를 내Tencor -step scratchα

서 박막이 일부를 제거한 후 그 단차를 측정하여 두께를 측정한 후 4-point probe

로 측정한 면저항 값을 곱하여 비저항 값을 얻었다

미세구조 관찰3-2

박막의 입자크기는 이하이므로AS-depo 1000 TEM(Transmission ElectronÅ

관찰을 하였다 슬라이드에 시편을 붙이고 사포를 이용하여 이하Microscopy) 80

까지 연마한 후 하였다 한 시편을 직경 의 에 부착시dimpling dimpling 3 Cu grid

켜 을 하며 이 과정에서 입자충돌에 따른 국부적인 온도상승에 의한 박ion milling

막의 미세구조 변화를 막기 위해 액체질소를 이용하여 냉각하였다 열처리이후에는

를 이용하여 미세구조를 관찰하였다 거대입SEM(Scanning Electron Microscope)

성장의 관찰을 위해서는 광학현미경을 이용하여 입계를 관찰한 후 으로 보다SEM

자세한 입계면과 미세구조를 관찰하였다

결정성 분석3-3

박막의 결정성과 백금산화물의 상형성을 알아보기 위해 정도의 시편을 만1 x1

들어 사의 선 회절기로 을 얻었다 는MAC science X XRD pattern X-ray Cu Ka line

을 사용하였다( =15405 ) λ Å

- 26 -

첨가가스의 탈착 거동3-4

산소가스의 탈착 거동은 미세 열량분석계 와 를 이용하였다(DTA) ellipsometer DTA

는 반응생성물에 따라 계에 출입하는 미세 열량변화를 측정하여 계의 화학 반응온

도 등을 측정할 수 있는 측정 장비이다 는 특수한 광도계 Ellipsometer (

의 하나이며 빛의 편광상태의 변화를 측정하여 표면 및 박막의 구조와photometry)

물성 물질의 광특성 등을 연구하는데 사용되는 정밀 측정 기기이다

시료의 물성과 구조에 따라 반사 또는 투과광의 편광상태는 예민하게 변하므로 편

광상태 변화의 측정 및 분석을 통하여 시료의 물성과 구조에 대한 정보를 정밀하게

얻을 수 있어서 반도체 산업에서 산화막의 두께 및 두께 분포의 측정을 포함하여

박막 등의 분석에 널리 이용되고 있다

최근 반도체 광학재료의 제조 공정에 있어서 공정 제어를 위한 실시간 측정의 필

요성이 증대되고 있다 이에 따라 시료의 표면 상태와 박막의 구조 해석에 뛰어난

능력이 인정된 타원해석기를 이용하는 사례가 증가하고 있다

는 크게 나누어 와 단파장Ellipsometer spectroscopic ellipsometer(SE)

로 나눌 수 있는데 는 구조가 복잡하거나 물성이 알려져 있지 않은ellipsometer SE

시료의 기계적 두께 전자적 흡수단 구조 해석에 유리하지만 증착 에칭 열처리( ) ( )

표면반응 등의 공정 관측에는 거의 연속적인 데이터 획득이 유리한 단파장 타원해

석기가 널이 이용되고 있다 본 과제에서는 반사된 광원의 와 를 측정하 tan cosψ

여 굴절율 과 소광계수 값을 측정하였다(n) (k)

- 27 -

제 절 패턴 제작 공정의 개발3

일반적으로 금속의 저항은 다음의 식으로 표시된다

R = p(LA) -------------- (A)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 단면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

금속의 저항은 위와 같은 형태학적인 변수 외에 온도 등에도 의존하게 되는데 Pt

등의 경우 이러한 금속의 저항이 온도에 대해 선형적으로 증가하는 특Ni Cu W

성을 가지고 있다 이러한 온도저항 특성을 이용하여 주변의 온도를 감지하는 측온

저항체 온도센서로 많이 사용되고 있다 이러한 온도센서는 주변 온도에 대하여 다

음의 관계식을 갖는다

R(T) = R0 + TR0

온도 에서의 저항R(T) T Ro 기준점 에서의 저항 온도선형계수 측정온 (O ) T α

도

물질에 따라 온도선형계수 는 정해져 있으며 형태변수식 에 의한 금속의 저( ) (A)α

항 값이 높을수록 온도변화에 대한 저항변화 값이 증가하여 정확한 온도를 측정할

수 있다 소자의 경향에 따라 작은 크기의 미세소자로 원하는 기능을 輕薄短小化

얻고자 하는 것이 기술적인 경향이다 따라서 박막 기술을 이용한 금속 박막 온도

센서의 제작이 활발히 이루어지고 있으며 일부 제품의 경우 제품화되어 사용되고

있다 금속의 종류에 따라 특성을 나타내기 위한 최소의 박막 두께가 정해지 bulk

며 일정 두께 이하에서는 특성을 나타내지 못하게 된다 따라서 안정한 소자bulk

를 얻기 위해서는 일정 두께 이상의 박막두께가 필요하게 된다5) 백금저항소자의

경우 마이크로미터 이상의 두께가 필요한 것으로 알려져 있다 박막의 두께가10

일정할 때 저항 값의 조절은 패턴의 선폭에 의하여 조절되게 된다 이러한 선폭을

조절하기 위하여 기존에 사용되는 방법은 레이저트리밍 습식 식각 건식 식각 등의

방법이 사용된다 선폭의 조절이나 소자의 열화와 같은 문제가 발생할 수 있다

- 28 -

본 과제에서는 박막형 온도센서 제작에 있어 실리콘 기판위에 절연층의 식각을 통

해 원하는 패턴을 미리 형성하고 금속을 증착하여 온도센서를 제조함으로써 백금박

막의 저항조절을 용이하게 하고 소자의 내구성 향상과 소자크기를 소형화한 온도센

서를 제작하고자 하였다 그림 는 본 과제의 온도센서 제조공정을 나타내는 그림 5

이다 공정의 용이성에 따라 절연막 코팅을 패드보호막 형성 이후에 진행할 수도

있다

그림 당 과제에서 개발한 매립형 백금박막 온도센서 제조공정 모식도 5

- 29 -

제 절 소자 평가4

백금저항 온도센서의 여러 가지 물성 측정은 규정에 따른다KS C 1603-1991 19)

이에 따르면 온도특성 전기적 특성 기계적 특성에 대한 측정으로 크게 구별 될 수

있다 온도특성에는 온도에 대한 허용오차 안정도 자기 가열특성 등이 있으며 전

기적 특성에는 절연저항 내전압 등이 있고 기계적 특성으로는 내충격성과 내진동

성 등의 세부 항목들이 있으며 각각의 특성치를 시험하기 위한 방법이 규정되어 있

다

국제온도눈금 규격 에(ITS-1990 The International Temperature Scale of 1990)

의하면 평형수소의 삼중점 부터 은의 응고점 까지의 영역에서는(138033K) (96178)

에서 정의된 고정점들 사이를 내삽해 주는 기준함수 및 편차함수를 사용ITS-1990

하여 교정된 백금저항온도계에 의해 정의되도록 하고 있다 따라서 온도센서의 검

교정은 사용영역 내에서의 고정점들과 표준온도계의 온도저항 특성을 비교함으로써

얻을 수 있다 본 과제에서는 제작된 온도센서 및 상용센서의 평가를 위해 한국표

준과학연구원의 온도연구실에 있는 장비를 이용하였다 리드선의 저항오차를 최대

한 줄이기 위해 선 결선 방법을 택하였으며 리드선으로 직경 의 백금 선4 02 mm

을 사용하였다 물의 삼중점 주석의 녹는점 아연의 녹는점 등의 고정점 개와 항 3

온조를 이용한 50~ 도 사이의 온도 범위에서 측정점을 정하여 백금표준온도450

저항값과 제작된 온도센서의 저항값을 측정하여 온도선형계수 및 고온에서의 허용

오차 등을 측정하였다 측정조건은 를 사용하여 규정전류 HP 3458 multimeter 1mA

를 회로상에 흐르도록 구성한 뒤 저항값을 소수 째 자리까지 측정하여 유효 숫자4

는 소수 자리까지 사용하였다 일정한 온도를 얻기 위하여 사용되는 항온조는 온3

도영역에 따라 이하의 저온 영역은 알콜 영역에서는 에틸렌 글리0 0~100

콜 은 실리콘 오일을 사용하였으며 원하는 온도에 이른 후 평형을 100~200

위하여 분 이상 기다린 다음 표준저항기와 온도센서의 저항값을 각각 회씩 측30 3

정하여 평균값을 취하였다

- 30 -

에서는 저항기의 기준값으로 를 물의 삼중점 의 저ITS-1990 R (27316K=001 )

항 값으로 취하고 있다 정점의 실현은 녹는점 또는 어는점에서 잠열의 출입과 관

계없이 일정한 온도를 유지하는 특성을 이용한 것으로 녹는점 부근에서의 열량 조

절이 매우 중요하다 주석과 아연의 녹는점 실현을 위한 로는 석영관 내부에 주석

과 아연이 들어 있는 가 있고 표준저항기와 측정하고자 하는 온도센서thermal bath

가 들어가 있는 작은 석영관으로 이루어진 이중 구조로 되어있다 녹는점의 실현

을 위해서는 정밀한 저항 조절을 통한 온도제어가 필요하다 이를 위해 사용되는

기기로는 등이 사용되는데 이는current comparator resistance bridge 10-7 ohm

정도의 저항 조절이 가능한 장비이며 이를 온도로 환산하면 정도의 고정001mK

밀도를 가진다

- 31 -

제 장 기술개발결과3

- 32 -

제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금 박막의 필요성1

백금 박막은 백금 자체의 온도 저항 특성을 이용한 온도센서 및 로서의 응용 heater

과 촉매로서의 활용도 활발하게 이루어지고 있다 박막온도센서로의 응용을 위해서

는 온도변화에 따른 저항 변화계수(Temperature Coefficient of Resistance TCR)

가 중요한데 규정값(38510-3 이상의 을 얻기 위해서는 백금의 두께가 ) TCR 1

이상이 되어야 한다고 알려져 있다 5) 그림 은 백금박막의 두께에 따른 의6 TCR

변화를 나타내는 그림이다 은 두께뿐만 아니라 백금 박막의 미세구조 불순물 TCR

기판의 열팽창 계수 등 여러 가지 요인에 의존한다 이러한 여러 변수 중 두께 및

미세구조 조절은 순도와 함께 최적의 온도 저항 계수를 위한 중요 변수로 작용하는

것으로 알려져 있다18-20)

그림 두께에 따른 온도저항계수의 변화 6 5)

실리콘 기판 위의 백금증착은 앞서 설명한 바와 같이 열팽창 계수의 차이 부착력

문제 등으로 원하는 을 얻기 어렵다 백금의 열팽창 계수는TCR 8910-6 로 경우degc

실리콘에(2610-6 비해 높은 값을 가지며 온도 에서 다음과 같은 저항체 길degC) T

이의 변화를 유발하게 된다

- 33 -

L(T)=L(o)(1+ (Tα t-To)

백금과 기판의 열팽창 계수 차이 온도 Tα

특히 기판의 열팽창 계수가 작으면 백금저항의 감소를 유발하게 되어 저하의 TCR

원인이 된다 따라서 기존 상용제품의 경우 대부분이 백금과 열팽창 계수 차이가

없고 부착력이 좋은 알루미나를 기판재료로 사용하고 있다 본 과제의 거대 입성장

된 백금박막은 이러한 열팽창 계수의 차이에서 오는 부의 효과를 미세구조의 조절

을 통해 극복하고자 하였다

에 영향을 미치는 접착증을 사용하지 않으면서 백금박막의 접착력 증진을 위TCR

한 방법은 기존의 이노스텍 특허 기술을 이용하여 증착할 수 있다36) 이 경우 백금

박막의 미세구조는 그림 과 같이 일반적인 구조의 백금박막을 얻을 수7 columnar

있다 그러나 이 경우 은 TCR 38010-3 정도로 온도센서로 사용가능한 규격 인

38010-3 에 크게 못 미침을 예비 실험을 통하여 알 수 있었다

그림 일반적인 백금박막의 미세구조를 나타내는 전자 현미경 사진 7

- 34 -

또한 승온과 냉각과정에서 같은 온도에서의 저항값이 서로 다른 특성을hysteresis

나타내었다 이는 온도의 상승에 따라 열팽창계수의 차이에 의한 응력이나 접착력

변화에서 기인되는 문제로 생각되었다 백금 박막의 미세구조를 단결정에 가깝게

제작할 수 있다면 입계면에서의 에 기인하는 저항변화 를 제거 할 수scatting factor

있다 본 과제에서는 이를 위하여 백금의 거대입성장 현상을 이용하여 두께 에 1

서 수 의 입자크기를 갖는 백금박막을 온도센서 소자로 사용하였다 거대입mm~cm

성장 박막의 증착 조건 등은 표 에 표시하였다6

- 35 -

거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

- 36 -

그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

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제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

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제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

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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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

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제 장 서 론1

제 절 온도센서의 종류1

온도센서는 크게 접촉식과 비접촉식으로 나뉠 수 있으며 비접촉식 센서는 주로 측

정하고자하는 부위에서 발생하는 열파장을 측정하는 방식으로 주로 산업 또는 연

구의 목적으로 이용되어 진다 일반적으로 산업 및 일상생활에서 이용되는 것은 접

촉식 온도 센서로 이에 해당하는 것으로는 열전대식 써미스터(Thermocouple)

및 측온저항체 온도센(Thermistor) (Resistance temperature detector RTD) IC

서 등이 있다 표 은 접촉식 온도센서의 종류에 따른 특성을 나타내는 표이다 1

표 접촉식 온도센서 종류에 따른 제반 특성 1

RTD

백금저항온도센서( )Thermocouple Thermistor

Temperature

Range-200 ~850

-190 ~

18210 ~ 300

Accuracy plusmn0001degF to 01degF plusmn1degF to 10degF High

Response Time Moderate Fast Fast

StabilityStable over long periods

lt01 error5 yr

Not as stable

1degF erroryrGood stability

Linearity Best Moderate Non-linear

Sensitivity High sensitivity Low sensitivity High sensitivity

접촉식 온도센서의 세계시장 동향을 살펴보면1-2) 년 이후 써모커플시장 규모는95

동결내지는 감소하고 있으며 써미스터는 낮은 성장률을 보이고 있는 반면에 백금저

항온도계의 시장은 접촉식 온도센서 중에서 높은 성장률을 보이고 있다 이는 써모

커플의 경우 사용영역은 넓으나 정확도에 문제가 있고 써어미스터의 경우 자기가열

효과가 크고 외부 충격에 의한 손상의 가능성이 높아 수요가 한정되기 때문으로 생

각된다 반면 백금저항 온도센서는 온도정확성 및 신뢰도가 매우 높고 박막형 소자

개발에 따른 단가 하락 및 소형화가 가능하여 수요가 증가했기 때문으로 생각된다

- 9 -

제 절 백금저항 온도센서2

는 등과 같은 금속과 함께 의Pt Ru Rh Pd Os Ir platinum group metal (PGM)

하나로 내식성이 강하며 촉매효과가 크고 다른 금속에 비하여 내산화성이 강한 물

질로 알려져 있다3) 또한 온도에 따른 저항변화의 특성이 직선적인 특성을 가지고

있어 온도센서나 로 사용되고 있다heater 4-5) 표 에 백금의 물리적 특성을 정리2

하였다

표 백금의 물리적 성질 2

백금저항 온도센서는 외부의 온도 변화에 따른 백금의 저항 변화를 이용한 방식으

로 현재 실용화되어 있는 온도 센서 중에서 안정도와 감도가 매우 높아 고정밀의

온도 계측이 가능한 센서이다 또한 기준 접점에 대한 보상회로가 불필요하므로 간

단한 부가회로를 이용하여 온도에 대하여 직선적 출력을 얻을 수 있으며 이에 따

라 센서의 신뢰도가 매우 높은 장점을 갖고 있다6-7) 그림 은 상용화되어 있는 백1

금저항 온도센서를 나타내고 있다

- 10 -

(a) (b) (c)

그림 백금저항 온도센서의 종류 세선가공형 세라믹봉입형 박막형 1 (a) (b) (c)

이제까지 상용화된 백금저항 온도센서는 운모판에 백금선을 감은 운모형 세라믹

튜브내에 백금코일을 넣고 봉입한 세라믹형 및 백금코일을 저융점 유리로 molding

한 유리형이 광범위하게 사용되어 왔다8) 이들 센서는 고순도의 백금선으로 만들어

지기 때문에 기계적 특성 진동 충격 등 이 나쁘며 백금코일제작 및 에 많( ) molding

은 시간이 소요된다 또한 세라믹 봉입형의 경우 센서의 소형화가 어렵고 온도감응

속도가 느리며 생산비가 고가인 단점을 가지고 있다 이러한 단점을 극복하기 위해

최근에는 고도의 박막기술을 이용한 백금박막 온도센서의 개발이 매우 중요하게 되

었다 박막기술을 이용할 경우 온도센서의 소형화 및 신뢰성 향상은 물론이며 생산

비의 절감과 생산성 향상에 따른 경제적 파급효과가 매우 클 것으로 기대되고 있

다 지금까지 개발된 백금박막 온도센서의 경우 접착력과 기판과의 열팽창 계수의

차이에서 발생하는 문제로 인해 기판재료로 알루미나를 주로 사용하여 왔다59-11)

현재 백금박막 온도센서를 상용화한 회사로는 Heraeus Jumo(Germany) Hayashi

등의Denko (Japan) Minco Hycal(USA) Sentek(Taiwan) Xian Diamond(China)

회사가 있다

- 11 -

제 절 백금저항 온도센서 이론3

에 따르면 금속의 저항은 격자산란과 결함에 의한 산란 두가지Matthiessens rule

형태의 산술합으로 나타낼 수 있으며 다음의 식으로 표현된다

p = pi(T) + p

양자역학에 의하면 금속전도체 내에서의 전기전도는 전자에 의한 것임을 알 수 있

다12-14) 이상적인 결정체 격자진동도 존재하지 않는 상태 금속에서의 전도는 에( )

너지 손실 저항 없이 이루어질 수 있다 그러나 실제 금속에서는 격자진동과 결함( )

구조결함 불순물 등 이 존재하며 이들이 전기전도를 방해하는 저항으로 작용한다( )

전도전자가 충돌하기 전까지 진행한 평균길이를 전자의 평균자유행로라 하며(mean

라 하며 일반적으로 평균자유행로가 길수록 전기저항율은 작아짐을 알free path)

수 있다 표 은 금속의 전기저항율과 평균자유행로를 나타내는 표이다 3

표 금속에서의 평균자유행로 저항율 의 값 3 Debye temp 12-14)

격자진동 에 의한 저항은(phonon) pi 로 결함에 의한 저항은 로 나타낼 수 있(T) p

고 재료의 전체 저항율은 위의 로 나타낼 수 있다matthiessenrsquos rule

- 12 -

에서Matthiessens rule pi 는 과 전도전자의 충돌에 의한 저항율의 변화(T) phonon

를 나타내는 것이며 저항온도계의 온도 저항 특성을 결정하는 항이다 이론 Debye

에12) 의하면 pi 는 온도(T) Debye ( = hvθ max 를 기준으로 온도의존성이 다음과 같k)

이 나타나게 된다

pi(T) Tcong n for Tlt n = 5θ

pi(T) T for T gtθcong

표 에 여러 재료의 온도가 나타나 있다 온도 이상의 영역에서3 Debye Debye

에 의한 저항율의 온도의존성은 차 함수에 비례하는 것으로 생각할 수 있phonon 1

다 온도에 따라 저항율이 일정하기 위해서는 의 항이 온도 matthiessenrsquos rule p

의 존성이 없어야 하지만 실제로 Po = Po 값으로 온도의존성을 가지며+ (Tp)

여기에 영향을 미치는 인자는 크게 다음과 같이 나눌 수 있다18)

화학적 요인 조성 불순물 산화 기체의 흡수 등( )

물리적요인 격자결함 구조결함 공극 격자간원자 전위 적층결함 입계 등( )

기계적요인 외력 변형 변위 등( ) (stress) (strain)

온도센서 제조시 온도에 따른 의 제거가 소자의 정밀도 안정성 등을 결정하(Tp)

는 요인이 된다 조성의 경우 타켓의 순도에 의해 결정되므로 공정조절을 통해 조

절할 수는 없지만 가능하면 백금의 증착시에 기초 진공을 낮추어 주는 것이 좋다

(10-6 이하 표 는 불순물 농도에 따른 온도저항변화율을 나타내는 표이다Torr ) 4

표 불순물 농도에 따른 온도저항율 변화 4 18)

불순물 n(times10α -6)(ppm)

Ag 023

Rh 019

Si 027

Ru 018

Fe 078

Au 006

- 13 -

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적4

센서에 대한 연구 개발은 반도체 메모리 및 에너지 산업과 더불어 년대의 핵2000

심 첨단 산업의 하나로서 년대 이후 여러 분야에서 지속적으로 진행되어 오1980

고 있다 특히 초창기의 벌크 또는 후막식 센서에서 최근에는 고감도 및 대량 생산

이 용이한 박막형 센서에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다 박막형 센서는

박막의 특징인 소형화 및 정밀화가 가능하여 그 응용 범위가 제한이 없을 정도로

매우 유망한 분야이다 백금저항 온도센서는 그림 에 나타난 바와 같이 자동차 2

산업체 공정제어용 뿐만 아니라 백색가전 등 일상생활 전 분야에 폭넓게 이용되고

있으며 그 규모가 년 현재 전 세계적으로 약 억 달러에 이르렀으며 그 규모2002 10

가 성장하고 있는 매우 유망한 분야이다 특히 고성능 고정밀도를 갖는 백금박막

온도 센서 시장 규모의 증가는 써미스터나 써머커플의 시장 성장 속도에 비하여 매

무 높은 것으로 알려져 있다1-2)

그림 백금온도센서의 응용분야 2 15)

- 14 -

기존의 백금박막 온도센서 소자는 접착력 등의 문제로 알루미나 기판을 사용하여

제작되고 있다9-1115) 알루미나 기판 위에 원하는 금속박막을 증착한 후 일정한 저

항값을 얻기 위하여 금속박막을 레이저 트리밍 습식 식각 그리고 플라즈마 에칭과

같은 건식 식각을 통해 패턴을 형성하게 된다 알루미나 기판을 사용할 경우 증착

하는 금속박막의 두께가 마이크론 정도의 두께이므로 기판의 표면 거칠기를 정밀하

게 조절하기 위해 기판 표면 가공이 필요하게 된다 또한 표면 가공 후 금속박막의

부착력 증진을 위해 알루미나 기판 표면을 코로나 방전처리를 하기도 한다11) 이러

한 표면가공에는 많은 비용이 소요되어진다 금속박막의 패턴 형성을 위해 사용되

는 레이저 트리밍의 경우 레이저 가공에 의한 소자 열화 문제와 수율 등이 문제시

되며 감광막을 이용한 금속박막의 습식 식각에서는 식각의 진행 정도에 따라 용액

의 농도가 변화하여 식각 속도의 조절에 어려움이 있다 또한 금속 박막의 식각 속

도나 식각 양상에 따라 패턴 선폭이 제한되기도 한다 그림 은 레이저트리밍 이나 3

습식식각 공정을 통하여 제작된 백금 패턴을 보여주고 있다 식각 방법으로 패턴을

제작할 경우에는 가변저항을 만들어주어 패턴 형성 후에 저항을 조절하기도 한

다16) 건식 식각의 경우 비교적 정확하게 패턴을 형성할 수 있으나 금속에 따라서

는 식각된 금속 박막이 에칭 벽면에 달라붙어 정확한 패턴 형성에 어려움이 있으며

고가의 장비를 사용해야하는 단점이 있다17)

레이저 트리밍에 의한 패턴 형성(a)

식각 방법에 의한 패턴 형성(b)

그림 알루미나 기판을 사용한 상용센서의 패턴 형성 방법 3

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기판을 사용할 경우 반도체 공정에 공정이 가능하고 가공 등이 용이하Si in-line

며 산화물 박막을 이용한 기능성 소자와 결합된 복합화 센서 를 제(hybride-sensor)

조할 수 있다는 장점을 가지고 있으나 박막과의 부착력이Pt AI2O3 기판에 비하여

크게 떨어지는 단점을 가지고 있다 SiO2 기판과 박막과의 부착력 증진을 위해pt

서는 산화물과 반응성이 좋은 등을 접착층으로 쓰거나Ti Cr 5) 고온 로 표 Plasma

면처리를 하는 방법이 사용되고 있으나 접착증의 사용은 백금박막의 온도선형 계수

를 저하시키고518) 시간에 따른 경시변화를 유발하며 고온 를 사용하는 경plasma

우에는 가격경쟁력과 수율에 문제가 있다

본 과제에서는 이노스텍이 보유하고 있는 기판 위에 백금증착기술과 미세패턴형Si

성 기술을 이용하여 실리콘 기판 위에 절연층을 형성하고 절연층을 식각한 후 금속

박막을 증착하여 패턴을 형성하는 것으로 다음과 같은 장점을 가지고 있다 기판으

로 기존의 알루미나 대신 실리콘 기판을 사용하여 온도센서로 사용할 경우 기판의

열전도가 커서 센서 소자의 응답특성을 향상시킬 수 있다 SiO2 절연층의 식각은

백금박막의 식각에 비하여 선폭 조절이 용이하고 균일도를 향상시킬 수 있으며 기

존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여 까지 선폭을sub-micron

조절할 수 있어 소자의 크기를 획기적으로 작게 할 수 있다 소자 크기의 감소는

응답특성 뿐만 아니라 생산단가를 낮출 수 있는 장점이 있다 또한 실리콘 기판을

사용할 경우 반도체 칩 내부에 온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시 반도체소자

오동작의 주요원인으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계 하여

해결할 수 있는 장점이 있다 또한 백금 박막이 식각된 Si02 표면 안쪽에 증착됨으

로써 후 공정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하여 내구성

을 증진시킬 수 있다

세계 최고의 반도체 단위 공정기술을 가지고 있는 한국에서 실리콘 기판을 사용 하

여 백금박막 온도센서를 제작할 수 있다면 기존 온도센서 시장으로의 진입 및 시

장 선도가 매우 유망 할 수 있다고 판단된다

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제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표5

최종목표(1) 반도체 공정기술을 이용한 백금박막 온도센서 양산기술 개발

실리콘 기판위에 표준저항 인 온도센서 개발Pt 100 Pt 500 Pt 1000

가 센서용 백금 박막의 증착 및 증착 공정의 최적화 RTD

두께에 따른 온도선형계수 변화(TCR) ㆍ

두께의 균일도는 이내1士ㆍ

미세구조 제어 입자크기에 따른 온도선형 계수 변화 특성( (TCR) )ㆍ

우선배향성에 따른 온도선형계수 변화 특성(TCR) ㆍ

비저항은 이하12 ㆍ μΩ

나 센서용 백금 박막선의 제작을 위한 미세회로 공정의 최적화 RTD

를 제외한 센서소자 크기Pad 22mmㆍ 2 이하

SiOㆍ 2 에칭을 통한 형성 선폭 최대 에서 최소 의 범위를 갖음pattern 100 3

설계된 의 형성에 따른 미세구조 제어patternㆍ

제작된 백금 박막선의 에서의 저항0degC (Rㆍ o 은 선폭 및 길이 또는 공정에 무관하)

게 최대 최소 임1000 100 Ω Ω

제작된 백금 박막선의 온도선형계수 값은 선폭 및 길이 또는 공정에 무관(TCR)ㆍ

하게 정확하게 38510-3 이상 이어야 함

다 소자 평가

및 규격에 따라 센서회로를 설계 제작함KS JIS ㆍ 19-20) 이들 규격에 의하면 제작된

백금 박막선 저항의 양끝에 개의 도선을 접속한 선식 한쪽 끝에 개 다른 한 끝1 2 2

에 개의 토선을 접속한 선식 및 양 끝에 개의 도선을 접속한 선식이 있음1 3 2 4

선식 및 선식은 도선의 저항 효과를 없애기 위한 방식이나 생산성의 저하 우려3 4ㆍ

가 있음 따라서 선식에 의한 회로 구성을 기본으로 선 및 선식을 병행함 2 3 4

선식의 경우 백금 박막선의 저항 값2 (Rㆍ RTD 에 대하여 도선의 저항 값을 충분히)

작게 하여 배 이하 도선의 온도 상승효과를 보상함(100 )

- 17 -

제작된 백금 박막선의 온도 변화에 따른 선형 저항 변화를 유지하기 위한 본딩ㆍ

패드와 도선 접합 저항의 최소화 접촉 저항은 미만( 01 )Ω

온도 구간에서 안정하게 저항 변화를 감지하는 회로 제작-200degC ~ 500degC ㆍ

고정점 에서의 온도 저항의triple point(0degC)- Indium melting point (15659degC)ㆍ

선형성 평가

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제 장 기술개발 내용과 방법2

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제 장 기술개발 내용과 방법2

제 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목1

표 개발 기술의 평가방법 및 평가항목 5

온도선형계수1

온도선형계수 는 온도센서의 성능을 구별하기 위해 특정온도 구간에서의 평균기(a)

울기로 정의되며 백금의 경우 사이에서의 평균기울기로 정의된다0-100degC 19-20)

DIN22) IEC23) 등 각국의 공업규격에서는 백금측온 저항체의 경우 값으로a

000385degC-1을 규정하고 있다

=(R(100)-R(0))100R(0)α

- 20 -

표준기급 백금저항온도계의 온도변환이나 공업용 저항온도계의 보정 시에는 저항의

절대 값보다 기준온도 에 대한 상대 저항비 가 중요하게 되며 상대 저항비(0degC) (W)

값으로 온도를 계산하게 된다 본 과제에서는 업계 최초로 실리콘 기판을 사용하여

공업규격에 맞는 온도선형성을 갖는 백금박막 온도센서를 개발하고자 하였다 현재

까지 국내에서 개발된 백금박막 온도센서의 경우 온도선형계수는 38510-3 미

만으로 알려져 있다24) 기판을 사용한 경우 층을 중간층으로 사용할 경우Si MgO

값이TCR 38510-3 이상 됨을 보고한 바 있으나 상용화 되거나 일반화 되지는

못하고 있다25))

표준저항2

현재까지 가장 많이 사용되고 있는 백금박막 온도센서으 에서의 표준저항은I 0

이다 이는 지금까지의 알루미나 기판에 과 같은 방법으로 제100 screen printingΩ

작되는 온도센서 제작기술로는 백금박막의 선폭을 하로 제작하기 어려워 소100 ol

자크기에 제한이 따르기 때문이다 최근 들어 사진식각공정이나 레이저 트리밍 기

술의 발전에 따라 선폭의 감소가 이루어져 의 표준저항을 갖는 소자500 1000Ω Ω

의 상용화가 시작되고 있다 표준저항이 클수록 온도 변화에 따른 저항변화가 커서

온도분해능이 증가하는 장점이 있다 본 과제에서는 실리콘 기판에 산화막을 형성

하고 산화막에칭을 통해 선폭을 조절하므로 선폭의 조절이 까지 가능sub-micron

하여 표준저항을 용이하게 증가시킬 수 있으나 선폭저하에 따른 물성저하 등을 고

려하여 본 과제에서는 우선 표준저항 을 목표로 패턴을 디자인 하였100 1000Ω Ω

다

선폭3

선폭은 크게 두가지 측면에서 중요한 인자가 된다 선폭이 감소하면 아래 식에서

저항값을 증가시킬 수 있어 표준저항을 높이거나 같은 표준저항에서 소자크기를 작

게 할 수 있다

R = p(LA) ----------(a)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

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그러나 선폭이 너무 작아지면 박막의 두께에 의한 효과와 같이 비저항의 감소가 있

을 수 있다5) 본 과제에서는 선폭을 로 변화시켜 본 과제에서 개2 5 10 50

발된 백금박막 증착공정의 적용여부와 온도선형계수를 조사하였다

소자크기4

소자크기는 응답속도와 직접적인 관계를 갖는다 응답속도의 경우 온도센서의 분해

능 안정도 재현성 등과 더불어 온도센서를 평가하는 중요항목 중의 하나이다 일

반적으로 시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된632

다 온도센서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름

속도에 따라 달라지며 다음과 같은 식으로 알려져 있다 826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 열전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정 A

수 값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기뿐만 아니라 기판재료로 열전도가

알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므로 시정(25WmK) (148WmK)

수가 개선될 것으로 생각된다27)

온도안정성5

온도센서 특성중의 하나인 온도안정성은 의 국제규격에 따라 두 가지IEC751 type

으로 정의된다23)

Class A = (015+0002t)士

온도Class B = (030+0003t) t土

- 22 -

대부분의 박막타입의 경우 가 적용되고 있다 본 과제에서 적용된 백금 박class B

막의 경우 상온 증착 후 후열처리를 통해 백금의 입자크기가 의 크기를 갖mm~cm

는 단결정 입자로 구성되어 온도변화에 따른 특성이 매우 양호한hysteresis loop

특성을 가지고 있다 이러한 온도안정성에 영향을 미치는 요인으로는 흡착가스의

영향 백금입자의 입자성장 기판과의 열팽창 계수 차이에서 오는 응력 등이 주요

원인이 된다18) 상기평가항목의 평가 에 맞는 온도센서를 제작하기 위하여 증spec

착공정의 개발 패턴형성공정 개발 및 소자평가등 각각의 항목에 대한 세부내역은

제 절에 나타내었다2

- 23 -

제 절 백금박막 증착공정의 개발2

그림 는 본 과제에 사용된 기의 개략도를 나타내는 그림이다 진공시스4 sputtering

템은 와 로 구성되었으며rotary turbo pump 10-3 까지는 를 사Torr rotary pump

용하고 그 이후는 와 를 사용하여rotary turbo pump 3010-6 까지 반응실의Torr

진공을 유지 할 수 있도록 설계되었다 스퍼터 방식은 하향식이며 기판온도는 SiC

를 이용하여 까지 조절할 수 있다 균일한 증착을 위해 기판의 회전수heater 700

는 으로 조정가능하며 플라즈마 가스는 아르곤을 사용하였다 증착효율을1-20rpm

높이기 위해 타게트 뒷 부위에 영구자석을 설치한 방식을magnetron sputtering

채택하였다 가스압 조절을 위해 사의 사 MKS Baratron gauge Granville-phillips

의 를 사용하였으며 를 이용하여 가스의 유량을 조절vacuum gauge controller MFC

하였다 증착속도와 증착두께는 사의 Sycon Instruments STM-100MF

와 사의 을 이용하여 실측두께와 표시두께를thicknessrate monitor Tencor -stepα

보정하여 측정하였다

그림 본 과제에서 사용된 스퍼터링 시스템의 모식도4

- 24 -

일반적으로 스퍼터링에 사용되는 가스는 타게트 물질과의 반응을 방지하기 위하여

불활성 가스 를 사용한다 금속 타게트와 플라즈마 가스와의 반응을 이(Ar Kr Xe)

용한 에서는 반응가스로reactive sputtering O2를 첨가하기도 한다28) 본 연구에서

는 스퍼터링 가스로 아르곤과 아르곤 산소 가지를 사용하였으며 기판온도는 상온+ 2

으로 고정 시켰다 가스압은 증착 는 증착된 백금 1-22 mTorr power 100-250W

박막의 비저항은 를 이용하여 면저항을 측정한 후 을 이용하4 point probe -stepα

여 측정한 두께를 곱하여 구하였다 기판으로 사용된 실리콘 웨이퍼는 thermal

법으로 의oxidation 15 SiO 2 산화막이 증착된 이다P-type Si(100)

박막증착1

증착은 기판온도 가스압력 증착 뿐만 아니라 챔버의Sputtering power geometry

도 중요한 변수 중의 하나이다 예비 실험결과 아르곤만을 가지고 제작한 온도센서

는 기판과의 부착력이 나쁘고 온도선형성이나 온도저항계수 등 제반 사항이 온도센

서 제작에는 맞지 않은 것으로 판명되었다 또한 본 과제에서 기판과의 열팽창 계

수 차이에서 오는 온도저항계수의 저하를 백금미세구조 제어로 해결하고자 하였다

즉 백금박막의 거대입성장을 유도하여 거대입자로 구성된 온도센서를 제작하였다

거대입성장을 얻기 위한 공정은 기존의 실험결과를 바탕으로 다음과 같은 최적 조

건에서 박막을 증착하였다

표 온도센서 제작을 위한 백금박막의 최적 증착조건6

기판온도 가스비 아르곤 산소( ) 증착압력 증착power 비고

상온 1915(SCCM) 5 mTorr 170W

- 25 -

증착박막의 열처리2

증착된 박막의 열처리는 일반적인 전기로를 사용하였으며 공기중에서 600~1200

영역에서 한 시간 동안 열처리 하였다 열처리 조건에 따른 의 변화에 대한 많 TCR

은 보고가 있으나 본 실험에서는 한 시간으로 고정하였다24-2529) 이는 본 과제에

적용된 거대입성장 백금박막의 경우 시간에 따른 미세구조나 물성 차이를 보이지

않기 때문이었다 또한 백금증착시 산소를 점가하는 경우 백금산화물이 형성되거나

비저항 값이 증가하므로 열처리를 통해 증착 중 첨가된 산소를 박막외부로 확산시

켜야 한다 백금산화물의 경우 반도체 산화물로서 온도저항계수가 음의 값을 갖는

다2430-33) 이러한 산소의 탈착거동을 알아보기 위해 미소열량계를 이용하여 산소의

탈착거동을 관찰하였으며 소광계수의 변화 등을 관찰하였다 소광계수 측정을 위한

박막의 열처리는 진공분위기 에서 써머커플을 기판에 접촉시켜 측정하였(50 mTorr)

다

박막의 물성 측정3

두께 및 비저항 측정3-1

박막의 두께는 사의 을 이용하여 측정하였다 시편에 를 내Tencor -step scratchα

서 박막이 일부를 제거한 후 그 단차를 측정하여 두께를 측정한 후 4-point probe

로 측정한 면저항 값을 곱하여 비저항 값을 얻었다

미세구조 관찰3-2

박막의 입자크기는 이하이므로AS-depo 1000 TEM(Transmission ElectronÅ

관찰을 하였다 슬라이드에 시편을 붙이고 사포를 이용하여 이하Microscopy) 80

까지 연마한 후 하였다 한 시편을 직경 의 에 부착시dimpling dimpling 3 Cu grid

켜 을 하며 이 과정에서 입자충돌에 따른 국부적인 온도상승에 의한 박ion milling

막의 미세구조 변화를 막기 위해 액체질소를 이용하여 냉각하였다 열처리이후에는

를 이용하여 미세구조를 관찰하였다 거대입SEM(Scanning Electron Microscope)

성장의 관찰을 위해서는 광학현미경을 이용하여 입계를 관찰한 후 으로 보다SEM

자세한 입계면과 미세구조를 관찰하였다

결정성 분석3-3

박막의 결정성과 백금산화물의 상형성을 알아보기 위해 정도의 시편을 만1 x1

들어 사의 선 회절기로 을 얻었다 는MAC science X XRD pattern X-ray Cu Ka line

을 사용하였다( =15405 ) λ Å

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첨가가스의 탈착 거동3-4

산소가스의 탈착 거동은 미세 열량분석계 와 를 이용하였다(DTA) ellipsometer DTA

는 반응생성물에 따라 계에 출입하는 미세 열량변화를 측정하여 계의 화학 반응온

도 등을 측정할 수 있는 측정 장비이다 는 특수한 광도계 Ellipsometer (

의 하나이며 빛의 편광상태의 변화를 측정하여 표면 및 박막의 구조와photometry)

물성 물질의 광특성 등을 연구하는데 사용되는 정밀 측정 기기이다

시료의 물성과 구조에 따라 반사 또는 투과광의 편광상태는 예민하게 변하므로 편

광상태 변화의 측정 및 분석을 통하여 시료의 물성과 구조에 대한 정보를 정밀하게

얻을 수 있어서 반도체 산업에서 산화막의 두께 및 두께 분포의 측정을 포함하여

박막 등의 분석에 널리 이용되고 있다

최근 반도체 광학재료의 제조 공정에 있어서 공정 제어를 위한 실시간 측정의 필

요성이 증대되고 있다 이에 따라 시료의 표면 상태와 박막의 구조 해석에 뛰어난

능력이 인정된 타원해석기를 이용하는 사례가 증가하고 있다

는 크게 나누어 와 단파장Ellipsometer spectroscopic ellipsometer(SE)

로 나눌 수 있는데 는 구조가 복잡하거나 물성이 알려져 있지 않은ellipsometer SE

시료의 기계적 두께 전자적 흡수단 구조 해석에 유리하지만 증착 에칭 열처리( ) ( )

표면반응 등의 공정 관측에는 거의 연속적인 데이터 획득이 유리한 단파장 타원해

석기가 널이 이용되고 있다 본 과제에서는 반사된 광원의 와 를 측정하 tan cosψ

여 굴절율 과 소광계수 값을 측정하였다(n) (k)

- 27 -

제 절 패턴 제작 공정의 개발3

일반적으로 금속의 저항은 다음의 식으로 표시된다

R = p(LA) -------------- (A)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 단면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

금속의 저항은 위와 같은 형태학적인 변수 외에 온도 등에도 의존하게 되는데 Pt

등의 경우 이러한 금속의 저항이 온도에 대해 선형적으로 증가하는 특Ni Cu W

성을 가지고 있다 이러한 온도저항 특성을 이용하여 주변의 온도를 감지하는 측온

저항체 온도센서로 많이 사용되고 있다 이러한 온도센서는 주변 온도에 대하여 다

음의 관계식을 갖는다

R(T) = R0 + TR0

온도 에서의 저항R(T) T Ro 기준점 에서의 저항 온도선형계수 측정온 (O ) T α

도

물질에 따라 온도선형계수 는 정해져 있으며 형태변수식 에 의한 금속의 저( ) (A)α

항 값이 높을수록 온도변화에 대한 저항변화 값이 증가하여 정확한 온도를 측정할

수 있다 소자의 경향에 따라 작은 크기의 미세소자로 원하는 기능을 輕薄短小化

얻고자 하는 것이 기술적인 경향이다 따라서 박막 기술을 이용한 금속 박막 온도

센서의 제작이 활발히 이루어지고 있으며 일부 제품의 경우 제품화되어 사용되고

있다 금속의 종류에 따라 특성을 나타내기 위한 최소의 박막 두께가 정해지 bulk

며 일정 두께 이하에서는 특성을 나타내지 못하게 된다 따라서 안정한 소자bulk

를 얻기 위해서는 일정 두께 이상의 박막두께가 필요하게 된다5) 백금저항소자의

경우 마이크로미터 이상의 두께가 필요한 것으로 알려져 있다 박막의 두께가10

일정할 때 저항 값의 조절은 패턴의 선폭에 의하여 조절되게 된다 이러한 선폭을

조절하기 위하여 기존에 사용되는 방법은 레이저트리밍 습식 식각 건식 식각 등의

방법이 사용된다 선폭의 조절이나 소자의 열화와 같은 문제가 발생할 수 있다

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본 과제에서는 박막형 온도센서 제작에 있어 실리콘 기판위에 절연층의 식각을 통

해 원하는 패턴을 미리 형성하고 금속을 증착하여 온도센서를 제조함으로써 백금박

막의 저항조절을 용이하게 하고 소자의 내구성 향상과 소자크기를 소형화한 온도센

서를 제작하고자 하였다 그림 는 본 과제의 온도센서 제조공정을 나타내는 그림 5

이다 공정의 용이성에 따라 절연막 코팅을 패드보호막 형성 이후에 진행할 수도

있다

그림 당 과제에서 개발한 매립형 백금박막 온도센서 제조공정 모식도 5

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제 절 소자 평가4

백금저항 온도센서의 여러 가지 물성 측정은 규정에 따른다KS C 1603-1991 19)

이에 따르면 온도특성 전기적 특성 기계적 특성에 대한 측정으로 크게 구별 될 수

있다 온도특성에는 온도에 대한 허용오차 안정도 자기 가열특성 등이 있으며 전

기적 특성에는 절연저항 내전압 등이 있고 기계적 특성으로는 내충격성과 내진동

성 등의 세부 항목들이 있으며 각각의 특성치를 시험하기 위한 방법이 규정되어 있

다

국제온도눈금 규격 에(ITS-1990 The International Temperature Scale of 1990)

의하면 평형수소의 삼중점 부터 은의 응고점 까지의 영역에서는(138033K) (96178)

에서 정의된 고정점들 사이를 내삽해 주는 기준함수 및 편차함수를 사용ITS-1990

하여 교정된 백금저항온도계에 의해 정의되도록 하고 있다 따라서 온도센서의 검

교정은 사용영역 내에서의 고정점들과 표준온도계의 온도저항 특성을 비교함으로써

얻을 수 있다 본 과제에서는 제작된 온도센서 및 상용센서의 평가를 위해 한국표

준과학연구원의 온도연구실에 있는 장비를 이용하였다 리드선의 저항오차를 최대

한 줄이기 위해 선 결선 방법을 택하였으며 리드선으로 직경 의 백금 선4 02 mm

을 사용하였다 물의 삼중점 주석의 녹는점 아연의 녹는점 등의 고정점 개와 항 3

온조를 이용한 50~ 도 사이의 온도 범위에서 측정점을 정하여 백금표준온도450

저항값과 제작된 온도센서의 저항값을 측정하여 온도선형계수 및 고온에서의 허용

오차 등을 측정하였다 측정조건은 를 사용하여 규정전류 HP 3458 multimeter 1mA

를 회로상에 흐르도록 구성한 뒤 저항값을 소수 째 자리까지 측정하여 유효 숫자4

는 소수 자리까지 사용하였다 일정한 온도를 얻기 위하여 사용되는 항온조는 온3

도영역에 따라 이하의 저온 영역은 알콜 영역에서는 에틸렌 글리0 0~100

콜 은 실리콘 오일을 사용하였으며 원하는 온도에 이른 후 평형을 100~200

위하여 분 이상 기다린 다음 표준저항기와 온도센서의 저항값을 각각 회씩 측30 3

정하여 평균값을 취하였다

- 30 -

에서는 저항기의 기준값으로 를 물의 삼중점 의 저ITS-1990 R (27316K=001 )

항 값으로 취하고 있다 정점의 실현은 녹는점 또는 어는점에서 잠열의 출입과 관

계없이 일정한 온도를 유지하는 특성을 이용한 것으로 녹는점 부근에서의 열량 조

절이 매우 중요하다 주석과 아연의 녹는점 실현을 위한 로는 석영관 내부에 주석

과 아연이 들어 있는 가 있고 표준저항기와 측정하고자 하는 온도센서thermal bath

가 들어가 있는 작은 석영관으로 이루어진 이중 구조로 되어있다 녹는점의 실현

을 위해서는 정밀한 저항 조절을 통한 온도제어가 필요하다 이를 위해 사용되는

기기로는 등이 사용되는데 이는current comparator resistance bridge 10-7 ohm

정도의 저항 조절이 가능한 장비이며 이를 온도로 환산하면 정도의 고정001mK

밀도를 가진다

- 31 -

제 장 기술개발결과3

- 32 -

제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금 박막의 필요성1

백금 박막은 백금 자체의 온도 저항 특성을 이용한 온도센서 및 로서의 응용 heater

과 촉매로서의 활용도 활발하게 이루어지고 있다 박막온도센서로의 응용을 위해서

는 온도변화에 따른 저항 변화계수(Temperature Coefficient of Resistance TCR)

가 중요한데 규정값(38510-3 이상의 을 얻기 위해서는 백금의 두께가 ) TCR 1

이상이 되어야 한다고 알려져 있다 5) 그림 은 백금박막의 두께에 따른 의6 TCR

변화를 나타내는 그림이다 은 두께뿐만 아니라 백금 박막의 미세구조 불순물 TCR

기판의 열팽창 계수 등 여러 가지 요인에 의존한다 이러한 여러 변수 중 두께 및

미세구조 조절은 순도와 함께 최적의 온도 저항 계수를 위한 중요 변수로 작용하는

것으로 알려져 있다18-20)

그림 두께에 따른 온도저항계수의 변화 6 5)

실리콘 기판 위의 백금증착은 앞서 설명한 바와 같이 열팽창 계수의 차이 부착력

문제 등으로 원하는 을 얻기 어렵다 백금의 열팽창 계수는TCR 8910-6 로 경우degc

실리콘에(2610-6 비해 높은 값을 가지며 온도 에서 다음과 같은 저항체 길degC) T

이의 변화를 유발하게 된다

- 33 -

L(T)=L(o)(1+ (Tα t-To)

백금과 기판의 열팽창 계수 차이 온도 Tα

특히 기판의 열팽창 계수가 작으면 백금저항의 감소를 유발하게 되어 저하의 TCR

원인이 된다 따라서 기존 상용제품의 경우 대부분이 백금과 열팽창 계수 차이가

없고 부착력이 좋은 알루미나를 기판재료로 사용하고 있다 본 과제의 거대 입성장

된 백금박막은 이러한 열팽창 계수의 차이에서 오는 부의 효과를 미세구조의 조절

을 통해 극복하고자 하였다

에 영향을 미치는 접착증을 사용하지 않으면서 백금박막의 접착력 증진을 위TCR

한 방법은 기존의 이노스텍 특허 기술을 이용하여 증착할 수 있다36) 이 경우 백금

박막의 미세구조는 그림 과 같이 일반적인 구조의 백금박막을 얻을 수7 columnar

있다 그러나 이 경우 은 TCR 38010-3 정도로 온도센서로 사용가능한 규격 인

38010-3 에 크게 못 미침을 예비 실험을 통하여 알 수 있었다

그림 일반적인 백금박막의 미세구조를 나타내는 전자 현미경 사진 7

- 34 -

또한 승온과 냉각과정에서 같은 온도에서의 저항값이 서로 다른 특성을hysteresis

나타내었다 이는 온도의 상승에 따라 열팽창계수의 차이에 의한 응력이나 접착력

변화에서 기인되는 문제로 생각되었다 백금 박막의 미세구조를 단결정에 가깝게

제작할 수 있다면 입계면에서의 에 기인하는 저항변화 를 제거 할 수scatting factor

있다 본 과제에서는 이를 위하여 백금의 거대입성장 현상을 이용하여 두께 에 1

서 수 의 입자크기를 갖는 백금박막을 온도센서 소자로 사용하였다 거대입mm~cm

성장 박막의 증착 조건 등은 표 에 표시하였다6

- 35 -

거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

- 36 -

그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 9 -

제 절 백금저항 온도센서2

는 등과 같은 금속과 함께 의Pt Ru Rh Pd Os Ir platinum group metal (PGM)

하나로 내식성이 강하며 촉매효과가 크고 다른 금속에 비하여 내산화성이 강한 물

질로 알려져 있다3) 또한 온도에 따른 저항변화의 특성이 직선적인 특성을 가지고

있어 온도센서나 로 사용되고 있다heater 4-5) 표 에 백금의 물리적 특성을 정리2

하였다

표 백금의 물리적 성질 2

백금저항 온도센서는 외부의 온도 변화에 따른 백금의 저항 변화를 이용한 방식으

로 현재 실용화되어 있는 온도 센서 중에서 안정도와 감도가 매우 높아 고정밀의

온도 계측이 가능한 센서이다 또한 기준 접점에 대한 보상회로가 불필요하므로 간

단한 부가회로를 이용하여 온도에 대하여 직선적 출력을 얻을 수 있으며 이에 따

라 센서의 신뢰도가 매우 높은 장점을 갖고 있다6-7) 그림 은 상용화되어 있는 백1

금저항 온도센서를 나타내고 있다

- 10 -

(a) (b) (c)

그림 백금저항 온도센서의 종류 세선가공형 세라믹봉입형 박막형 1 (a) (b) (c)

이제까지 상용화된 백금저항 온도센서는 운모판에 백금선을 감은 운모형 세라믹

튜브내에 백금코일을 넣고 봉입한 세라믹형 및 백금코일을 저융점 유리로 molding

한 유리형이 광범위하게 사용되어 왔다8) 이들 센서는 고순도의 백금선으로 만들어

지기 때문에 기계적 특성 진동 충격 등 이 나쁘며 백금코일제작 및 에 많( ) molding

은 시간이 소요된다 또한 세라믹 봉입형의 경우 센서의 소형화가 어렵고 온도감응

속도가 느리며 생산비가 고가인 단점을 가지고 있다 이러한 단점을 극복하기 위해

최근에는 고도의 박막기술을 이용한 백금박막 온도센서의 개발이 매우 중요하게 되

었다 박막기술을 이용할 경우 온도센서의 소형화 및 신뢰성 향상은 물론이며 생산

비의 절감과 생산성 향상에 따른 경제적 파급효과가 매우 클 것으로 기대되고 있

다 지금까지 개발된 백금박막 온도센서의 경우 접착력과 기판과의 열팽창 계수의

차이에서 발생하는 문제로 인해 기판재료로 알루미나를 주로 사용하여 왔다59-11)

현재 백금박막 온도센서를 상용화한 회사로는 Heraeus Jumo(Germany) Hayashi

등의Denko (Japan) Minco Hycal(USA) Sentek(Taiwan) Xian Diamond(China)

회사가 있다

- 11 -

제 절 백금저항 온도센서 이론3

에 따르면 금속의 저항은 격자산란과 결함에 의한 산란 두가지Matthiessens rule

형태의 산술합으로 나타낼 수 있으며 다음의 식으로 표현된다

p = pi(T) + p

양자역학에 의하면 금속전도체 내에서의 전기전도는 전자에 의한 것임을 알 수 있

다12-14) 이상적인 결정체 격자진동도 존재하지 않는 상태 금속에서의 전도는 에( )

너지 손실 저항 없이 이루어질 수 있다 그러나 실제 금속에서는 격자진동과 결함( )

구조결함 불순물 등 이 존재하며 이들이 전기전도를 방해하는 저항으로 작용한다( )

전도전자가 충돌하기 전까지 진행한 평균길이를 전자의 평균자유행로라 하며(mean

라 하며 일반적으로 평균자유행로가 길수록 전기저항율은 작아짐을 알free path)

수 있다 표 은 금속의 전기저항율과 평균자유행로를 나타내는 표이다 3

표 금속에서의 평균자유행로 저항율 의 값 3 Debye temp 12-14)

격자진동 에 의한 저항은(phonon) pi 로 결함에 의한 저항은 로 나타낼 수 있(T) p

고 재료의 전체 저항율은 위의 로 나타낼 수 있다matthiessenrsquos rule

- 12 -

에서Matthiessens rule pi 는 과 전도전자의 충돌에 의한 저항율의 변화(T) phonon

를 나타내는 것이며 저항온도계의 온도 저항 특성을 결정하는 항이다 이론 Debye

에12) 의하면 pi 는 온도(T) Debye ( = hvθ max 를 기준으로 온도의존성이 다음과 같k)

이 나타나게 된다

pi(T) Tcong n for Tlt n = 5θ

pi(T) T for T gtθcong

표 에 여러 재료의 온도가 나타나 있다 온도 이상의 영역에서3 Debye Debye

에 의한 저항율의 온도의존성은 차 함수에 비례하는 것으로 생각할 수 있phonon 1

다 온도에 따라 저항율이 일정하기 위해서는 의 항이 온도 matthiessenrsquos rule p

의 존성이 없어야 하지만 실제로 Po = Po 값으로 온도의존성을 가지며+ (Tp)

여기에 영향을 미치는 인자는 크게 다음과 같이 나눌 수 있다18)

화학적 요인 조성 불순물 산화 기체의 흡수 등( )

물리적요인 격자결함 구조결함 공극 격자간원자 전위 적층결함 입계 등( )

기계적요인 외력 변형 변위 등( ) (stress) (strain)

온도센서 제조시 온도에 따른 의 제거가 소자의 정밀도 안정성 등을 결정하(Tp)

는 요인이 된다 조성의 경우 타켓의 순도에 의해 결정되므로 공정조절을 통해 조

절할 수는 없지만 가능하면 백금의 증착시에 기초 진공을 낮추어 주는 것이 좋다

(10-6 이하 표 는 불순물 농도에 따른 온도저항변화율을 나타내는 표이다Torr ) 4

표 불순물 농도에 따른 온도저항율 변화 4 18)

불순물 n(times10α -6)(ppm)

Ag 023

Rh 019

Si 027

Ru 018

Fe 078

Au 006

- 13 -

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적4

센서에 대한 연구 개발은 반도체 메모리 및 에너지 산업과 더불어 년대의 핵2000

심 첨단 산업의 하나로서 년대 이후 여러 분야에서 지속적으로 진행되어 오1980

고 있다 특히 초창기의 벌크 또는 후막식 센서에서 최근에는 고감도 및 대량 생산

이 용이한 박막형 센서에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다 박막형 센서는

박막의 특징인 소형화 및 정밀화가 가능하여 그 응용 범위가 제한이 없을 정도로

매우 유망한 분야이다 백금저항 온도센서는 그림 에 나타난 바와 같이 자동차 2

산업체 공정제어용 뿐만 아니라 백색가전 등 일상생활 전 분야에 폭넓게 이용되고

있으며 그 규모가 년 현재 전 세계적으로 약 억 달러에 이르렀으며 그 규모2002 10

가 성장하고 있는 매우 유망한 분야이다 특히 고성능 고정밀도를 갖는 백금박막

온도 센서 시장 규모의 증가는 써미스터나 써머커플의 시장 성장 속도에 비하여 매

무 높은 것으로 알려져 있다1-2)

그림 백금온도센서의 응용분야 2 15)

- 14 -

기존의 백금박막 온도센서 소자는 접착력 등의 문제로 알루미나 기판을 사용하여

제작되고 있다9-1115) 알루미나 기판 위에 원하는 금속박막을 증착한 후 일정한 저

항값을 얻기 위하여 금속박막을 레이저 트리밍 습식 식각 그리고 플라즈마 에칭과

같은 건식 식각을 통해 패턴을 형성하게 된다 알루미나 기판을 사용할 경우 증착

하는 금속박막의 두께가 마이크론 정도의 두께이므로 기판의 표면 거칠기를 정밀하

게 조절하기 위해 기판 표면 가공이 필요하게 된다 또한 표면 가공 후 금속박막의

부착력 증진을 위해 알루미나 기판 표면을 코로나 방전처리를 하기도 한다11) 이러

한 표면가공에는 많은 비용이 소요되어진다 금속박막의 패턴 형성을 위해 사용되

는 레이저 트리밍의 경우 레이저 가공에 의한 소자 열화 문제와 수율 등이 문제시

되며 감광막을 이용한 금속박막의 습식 식각에서는 식각의 진행 정도에 따라 용액

의 농도가 변화하여 식각 속도의 조절에 어려움이 있다 또한 금속 박막의 식각 속

도나 식각 양상에 따라 패턴 선폭이 제한되기도 한다 그림 은 레이저트리밍 이나 3

습식식각 공정을 통하여 제작된 백금 패턴을 보여주고 있다 식각 방법으로 패턴을

제작할 경우에는 가변저항을 만들어주어 패턴 형성 후에 저항을 조절하기도 한

다16) 건식 식각의 경우 비교적 정확하게 패턴을 형성할 수 있으나 금속에 따라서

는 식각된 금속 박막이 에칭 벽면에 달라붙어 정확한 패턴 형성에 어려움이 있으며

고가의 장비를 사용해야하는 단점이 있다17)

레이저 트리밍에 의한 패턴 형성(a)

식각 방법에 의한 패턴 형성(b)

그림 알루미나 기판을 사용한 상용센서의 패턴 형성 방법 3

- 15 -

기판을 사용할 경우 반도체 공정에 공정이 가능하고 가공 등이 용이하Si in-line

며 산화물 박막을 이용한 기능성 소자와 결합된 복합화 센서 를 제(hybride-sensor)

조할 수 있다는 장점을 가지고 있으나 박막과의 부착력이Pt AI2O3 기판에 비하여

크게 떨어지는 단점을 가지고 있다 SiO2 기판과 박막과의 부착력 증진을 위해pt

서는 산화물과 반응성이 좋은 등을 접착층으로 쓰거나Ti Cr 5) 고온 로 표 Plasma

면처리를 하는 방법이 사용되고 있으나 접착증의 사용은 백금박막의 온도선형 계수

를 저하시키고518) 시간에 따른 경시변화를 유발하며 고온 를 사용하는 경plasma

우에는 가격경쟁력과 수율에 문제가 있다

본 과제에서는 이노스텍이 보유하고 있는 기판 위에 백금증착기술과 미세패턴형Si

성 기술을 이용하여 실리콘 기판 위에 절연층을 형성하고 절연층을 식각한 후 금속

박막을 증착하여 패턴을 형성하는 것으로 다음과 같은 장점을 가지고 있다 기판으

로 기존의 알루미나 대신 실리콘 기판을 사용하여 온도센서로 사용할 경우 기판의

열전도가 커서 센서 소자의 응답특성을 향상시킬 수 있다 SiO2 절연층의 식각은

백금박막의 식각에 비하여 선폭 조절이 용이하고 균일도를 향상시킬 수 있으며 기

존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여 까지 선폭을sub-micron

조절할 수 있어 소자의 크기를 획기적으로 작게 할 수 있다 소자 크기의 감소는

응답특성 뿐만 아니라 생산단가를 낮출 수 있는 장점이 있다 또한 실리콘 기판을

사용할 경우 반도체 칩 내부에 온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시 반도체소자

오동작의 주요원인으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계 하여

해결할 수 있는 장점이 있다 또한 백금 박막이 식각된 Si02 표면 안쪽에 증착됨으

로써 후 공정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하여 내구성

을 증진시킬 수 있다

세계 최고의 반도체 단위 공정기술을 가지고 있는 한국에서 실리콘 기판을 사용 하

여 백금박막 온도센서를 제작할 수 있다면 기존 온도센서 시장으로의 진입 및 시

장 선도가 매우 유망 할 수 있다고 판단된다

- 16 -

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표5

최종목표(1) 반도체 공정기술을 이용한 백금박막 온도센서 양산기술 개발

실리콘 기판위에 표준저항 인 온도센서 개발Pt 100 Pt 500 Pt 1000

가 센서용 백금 박막의 증착 및 증착 공정의 최적화 RTD

두께에 따른 온도선형계수 변화(TCR) ㆍ

두께의 균일도는 이내1士ㆍ

미세구조 제어 입자크기에 따른 온도선형 계수 변화 특성( (TCR) )ㆍ

우선배향성에 따른 온도선형계수 변화 특성(TCR) ㆍ

비저항은 이하12 ㆍ μΩ

나 센서용 백금 박막선의 제작을 위한 미세회로 공정의 최적화 RTD

를 제외한 센서소자 크기Pad 22mmㆍ 2 이하

SiOㆍ 2 에칭을 통한 형성 선폭 최대 에서 최소 의 범위를 갖음pattern 100 3

설계된 의 형성에 따른 미세구조 제어patternㆍ

제작된 백금 박막선의 에서의 저항0degC (Rㆍ o 은 선폭 및 길이 또는 공정에 무관하)

게 최대 최소 임1000 100 Ω Ω

제작된 백금 박막선의 온도선형계수 값은 선폭 및 길이 또는 공정에 무관(TCR)ㆍ

하게 정확하게 38510-3 이상 이어야 함

다 소자 평가

및 규격에 따라 센서회로를 설계 제작함KS JIS ㆍ 19-20) 이들 규격에 의하면 제작된

백금 박막선 저항의 양끝에 개의 도선을 접속한 선식 한쪽 끝에 개 다른 한 끝1 2 2

에 개의 토선을 접속한 선식 및 양 끝에 개의 도선을 접속한 선식이 있음1 3 2 4

선식 및 선식은 도선의 저항 효과를 없애기 위한 방식이나 생산성의 저하 우려3 4ㆍ

가 있음 따라서 선식에 의한 회로 구성을 기본으로 선 및 선식을 병행함 2 3 4

선식의 경우 백금 박막선의 저항 값2 (Rㆍ RTD 에 대하여 도선의 저항 값을 충분히)

작게 하여 배 이하 도선의 온도 상승효과를 보상함(100 )

- 17 -

제작된 백금 박막선의 온도 변화에 따른 선형 저항 변화를 유지하기 위한 본딩ㆍ

패드와 도선 접합 저항의 최소화 접촉 저항은 미만( 01 )Ω

온도 구간에서 안정하게 저항 변화를 감지하는 회로 제작-200degC ~ 500degC ㆍ

고정점 에서의 온도 저항의triple point(0degC)- Indium melting point (15659degC)ㆍ

선형성 평가

- 18 -

제 장 기술개발 내용과 방법2

- 19 -

제 장 기술개발 내용과 방법2

제 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목1

표 개발 기술의 평가방법 및 평가항목 5

온도선형계수1

온도선형계수 는 온도센서의 성능을 구별하기 위해 특정온도 구간에서의 평균기(a)

울기로 정의되며 백금의 경우 사이에서의 평균기울기로 정의된다0-100degC 19-20)

DIN22) IEC23) 등 각국의 공업규격에서는 백금측온 저항체의 경우 값으로a

000385degC-1을 규정하고 있다

=(R(100)-R(0))100R(0)α

- 20 -

표준기급 백금저항온도계의 온도변환이나 공업용 저항온도계의 보정 시에는 저항의

절대 값보다 기준온도 에 대한 상대 저항비 가 중요하게 되며 상대 저항비(0degC) (W)

값으로 온도를 계산하게 된다 본 과제에서는 업계 최초로 실리콘 기판을 사용하여

공업규격에 맞는 온도선형성을 갖는 백금박막 온도센서를 개발하고자 하였다 현재

까지 국내에서 개발된 백금박막 온도센서의 경우 온도선형계수는 38510-3 미

만으로 알려져 있다24) 기판을 사용한 경우 층을 중간층으로 사용할 경우Si MgO

값이TCR 38510-3 이상 됨을 보고한 바 있으나 상용화 되거나 일반화 되지는

못하고 있다25))

표준저항2

현재까지 가장 많이 사용되고 있는 백금박막 온도센서으 에서의 표준저항은I 0

이다 이는 지금까지의 알루미나 기판에 과 같은 방법으로 제100 screen printingΩ

작되는 온도센서 제작기술로는 백금박막의 선폭을 하로 제작하기 어려워 소100 ol

자크기에 제한이 따르기 때문이다 최근 들어 사진식각공정이나 레이저 트리밍 기

술의 발전에 따라 선폭의 감소가 이루어져 의 표준저항을 갖는 소자500 1000Ω Ω

의 상용화가 시작되고 있다 표준저항이 클수록 온도 변화에 따른 저항변화가 커서

온도분해능이 증가하는 장점이 있다 본 과제에서는 실리콘 기판에 산화막을 형성

하고 산화막에칭을 통해 선폭을 조절하므로 선폭의 조절이 까지 가능sub-micron

하여 표준저항을 용이하게 증가시킬 수 있으나 선폭저하에 따른 물성저하 등을 고

려하여 본 과제에서는 우선 표준저항 을 목표로 패턴을 디자인 하였100 1000Ω Ω

다

선폭3

선폭은 크게 두가지 측면에서 중요한 인자가 된다 선폭이 감소하면 아래 식에서

저항값을 증가시킬 수 있어 표준저항을 높이거나 같은 표준저항에서 소자크기를 작

게 할 수 있다

R = p(LA) ----------(a)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

- 21 -

그러나 선폭이 너무 작아지면 박막의 두께에 의한 효과와 같이 비저항의 감소가 있

을 수 있다5) 본 과제에서는 선폭을 로 변화시켜 본 과제에서 개2 5 10 50

발된 백금박막 증착공정의 적용여부와 온도선형계수를 조사하였다

소자크기4

소자크기는 응답속도와 직접적인 관계를 갖는다 응답속도의 경우 온도센서의 분해

능 안정도 재현성 등과 더불어 온도센서를 평가하는 중요항목 중의 하나이다 일

반적으로 시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된632

다 온도센서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름

속도에 따라 달라지며 다음과 같은 식으로 알려져 있다 826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 열전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정 A

수 값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기뿐만 아니라 기판재료로 열전도가

알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므로 시정(25WmK) (148WmK)

수가 개선될 것으로 생각된다27)

온도안정성5

온도센서 특성중의 하나인 온도안정성은 의 국제규격에 따라 두 가지IEC751 type

으로 정의된다23)

Class A = (015+0002t)士

온도Class B = (030+0003t) t土

- 22 -

대부분의 박막타입의 경우 가 적용되고 있다 본 과제에서 적용된 백금 박class B

막의 경우 상온 증착 후 후열처리를 통해 백금의 입자크기가 의 크기를 갖mm~cm

는 단결정 입자로 구성되어 온도변화에 따른 특성이 매우 양호한hysteresis loop

특성을 가지고 있다 이러한 온도안정성에 영향을 미치는 요인으로는 흡착가스의

영향 백금입자의 입자성장 기판과의 열팽창 계수 차이에서 오는 응력 등이 주요

원인이 된다18) 상기평가항목의 평가 에 맞는 온도센서를 제작하기 위하여 증spec

착공정의 개발 패턴형성공정 개발 및 소자평가등 각각의 항목에 대한 세부내역은

제 절에 나타내었다2

- 23 -

제 절 백금박막 증착공정의 개발2

그림 는 본 과제에 사용된 기의 개략도를 나타내는 그림이다 진공시스4 sputtering

템은 와 로 구성되었으며rotary turbo pump 10-3 까지는 를 사Torr rotary pump

용하고 그 이후는 와 를 사용하여rotary turbo pump 3010-6 까지 반응실의Torr

진공을 유지 할 수 있도록 설계되었다 스퍼터 방식은 하향식이며 기판온도는 SiC

를 이용하여 까지 조절할 수 있다 균일한 증착을 위해 기판의 회전수heater 700

는 으로 조정가능하며 플라즈마 가스는 아르곤을 사용하였다 증착효율을1-20rpm

높이기 위해 타게트 뒷 부위에 영구자석을 설치한 방식을magnetron sputtering

채택하였다 가스압 조절을 위해 사의 사 MKS Baratron gauge Granville-phillips

의 를 사용하였으며 를 이용하여 가스의 유량을 조절vacuum gauge controller MFC

하였다 증착속도와 증착두께는 사의 Sycon Instruments STM-100MF

와 사의 을 이용하여 실측두께와 표시두께를thicknessrate monitor Tencor -stepα

보정하여 측정하였다

그림 본 과제에서 사용된 스퍼터링 시스템의 모식도4

- 24 -

일반적으로 스퍼터링에 사용되는 가스는 타게트 물질과의 반응을 방지하기 위하여

불활성 가스 를 사용한다 금속 타게트와 플라즈마 가스와의 반응을 이(Ar Kr Xe)

용한 에서는 반응가스로reactive sputtering O2를 첨가하기도 한다28) 본 연구에서

는 스퍼터링 가스로 아르곤과 아르곤 산소 가지를 사용하였으며 기판온도는 상온+ 2

으로 고정 시켰다 가스압은 증착 는 증착된 백금 1-22 mTorr power 100-250W

박막의 비저항은 를 이용하여 면저항을 측정한 후 을 이용하4 point probe -stepα

여 측정한 두께를 곱하여 구하였다 기판으로 사용된 실리콘 웨이퍼는 thermal

법으로 의oxidation 15 SiO 2 산화막이 증착된 이다P-type Si(100)

박막증착1

증착은 기판온도 가스압력 증착 뿐만 아니라 챔버의Sputtering power geometry

도 중요한 변수 중의 하나이다 예비 실험결과 아르곤만을 가지고 제작한 온도센서

는 기판과의 부착력이 나쁘고 온도선형성이나 온도저항계수 등 제반 사항이 온도센

서 제작에는 맞지 않은 것으로 판명되었다 또한 본 과제에서 기판과의 열팽창 계

수 차이에서 오는 온도저항계수의 저하를 백금미세구조 제어로 해결하고자 하였다

즉 백금박막의 거대입성장을 유도하여 거대입자로 구성된 온도센서를 제작하였다

거대입성장을 얻기 위한 공정은 기존의 실험결과를 바탕으로 다음과 같은 최적 조

건에서 박막을 증착하였다

표 온도센서 제작을 위한 백금박막의 최적 증착조건6

기판온도 가스비 아르곤 산소( ) 증착압력 증착power 비고

상온 1915(SCCM) 5 mTorr 170W

- 25 -

증착박막의 열처리2

증착된 박막의 열처리는 일반적인 전기로를 사용하였으며 공기중에서 600~1200

영역에서 한 시간 동안 열처리 하였다 열처리 조건에 따른 의 변화에 대한 많 TCR

은 보고가 있으나 본 실험에서는 한 시간으로 고정하였다24-2529) 이는 본 과제에

적용된 거대입성장 백금박막의 경우 시간에 따른 미세구조나 물성 차이를 보이지

않기 때문이었다 또한 백금증착시 산소를 점가하는 경우 백금산화물이 형성되거나

비저항 값이 증가하므로 열처리를 통해 증착 중 첨가된 산소를 박막외부로 확산시

켜야 한다 백금산화물의 경우 반도체 산화물로서 온도저항계수가 음의 값을 갖는

다2430-33) 이러한 산소의 탈착거동을 알아보기 위해 미소열량계를 이용하여 산소의

탈착거동을 관찰하였으며 소광계수의 변화 등을 관찰하였다 소광계수 측정을 위한

박막의 열처리는 진공분위기 에서 써머커플을 기판에 접촉시켜 측정하였(50 mTorr)

다

박막의 물성 측정3

두께 및 비저항 측정3-1

박막의 두께는 사의 을 이용하여 측정하였다 시편에 를 내Tencor -step scratchα

서 박막이 일부를 제거한 후 그 단차를 측정하여 두께를 측정한 후 4-point probe

로 측정한 면저항 값을 곱하여 비저항 값을 얻었다

미세구조 관찰3-2

박막의 입자크기는 이하이므로AS-depo 1000 TEM(Transmission ElectronÅ

관찰을 하였다 슬라이드에 시편을 붙이고 사포를 이용하여 이하Microscopy) 80

까지 연마한 후 하였다 한 시편을 직경 의 에 부착시dimpling dimpling 3 Cu grid

켜 을 하며 이 과정에서 입자충돌에 따른 국부적인 온도상승에 의한 박ion milling

막의 미세구조 변화를 막기 위해 액체질소를 이용하여 냉각하였다 열처리이후에는

를 이용하여 미세구조를 관찰하였다 거대입SEM(Scanning Electron Microscope)

성장의 관찰을 위해서는 광학현미경을 이용하여 입계를 관찰한 후 으로 보다SEM

자세한 입계면과 미세구조를 관찰하였다

결정성 분석3-3

박막의 결정성과 백금산화물의 상형성을 알아보기 위해 정도의 시편을 만1 x1

들어 사의 선 회절기로 을 얻었다 는MAC science X XRD pattern X-ray Cu Ka line

을 사용하였다( =15405 ) λ Å

- 26 -

첨가가스의 탈착 거동3-4

산소가스의 탈착 거동은 미세 열량분석계 와 를 이용하였다(DTA) ellipsometer DTA

는 반응생성물에 따라 계에 출입하는 미세 열량변화를 측정하여 계의 화학 반응온

도 등을 측정할 수 있는 측정 장비이다 는 특수한 광도계 Ellipsometer (

의 하나이며 빛의 편광상태의 변화를 측정하여 표면 및 박막의 구조와photometry)

물성 물질의 광특성 등을 연구하는데 사용되는 정밀 측정 기기이다

시료의 물성과 구조에 따라 반사 또는 투과광의 편광상태는 예민하게 변하므로 편

광상태 변화의 측정 및 분석을 통하여 시료의 물성과 구조에 대한 정보를 정밀하게

얻을 수 있어서 반도체 산업에서 산화막의 두께 및 두께 분포의 측정을 포함하여

박막 등의 분석에 널리 이용되고 있다

최근 반도체 광학재료의 제조 공정에 있어서 공정 제어를 위한 실시간 측정의 필

요성이 증대되고 있다 이에 따라 시료의 표면 상태와 박막의 구조 해석에 뛰어난

능력이 인정된 타원해석기를 이용하는 사례가 증가하고 있다

는 크게 나누어 와 단파장Ellipsometer spectroscopic ellipsometer(SE)

로 나눌 수 있는데 는 구조가 복잡하거나 물성이 알려져 있지 않은ellipsometer SE

시료의 기계적 두께 전자적 흡수단 구조 해석에 유리하지만 증착 에칭 열처리( ) ( )

표면반응 등의 공정 관측에는 거의 연속적인 데이터 획득이 유리한 단파장 타원해

석기가 널이 이용되고 있다 본 과제에서는 반사된 광원의 와 를 측정하 tan cosψ

여 굴절율 과 소광계수 값을 측정하였다(n) (k)

- 27 -

제 절 패턴 제작 공정의 개발3

일반적으로 금속의 저항은 다음의 식으로 표시된다

R = p(LA) -------------- (A)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 단면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

금속의 저항은 위와 같은 형태학적인 변수 외에 온도 등에도 의존하게 되는데 Pt

등의 경우 이러한 금속의 저항이 온도에 대해 선형적으로 증가하는 특Ni Cu W

성을 가지고 있다 이러한 온도저항 특성을 이용하여 주변의 온도를 감지하는 측온

저항체 온도센서로 많이 사용되고 있다 이러한 온도센서는 주변 온도에 대하여 다

음의 관계식을 갖는다

R(T) = R0 + TR0

온도 에서의 저항R(T) T Ro 기준점 에서의 저항 온도선형계수 측정온 (O ) T α

도

물질에 따라 온도선형계수 는 정해져 있으며 형태변수식 에 의한 금속의 저( ) (A)α

항 값이 높을수록 온도변화에 대한 저항변화 값이 증가하여 정확한 온도를 측정할

수 있다 소자의 경향에 따라 작은 크기의 미세소자로 원하는 기능을 輕薄短小化

얻고자 하는 것이 기술적인 경향이다 따라서 박막 기술을 이용한 금속 박막 온도

센서의 제작이 활발히 이루어지고 있으며 일부 제품의 경우 제품화되어 사용되고

있다 금속의 종류에 따라 특성을 나타내기 위한 최소의 박막 두께가 정해지 bulk

며 일정 두께 이하에서는 특성을 나타내지 못하게 된다 따라서 안정한 소자bulk

를 얻기 위해서는 일정 두께 이상의 박막두께가 필요하게 된다5) 백금저항소자의

경우 마이크로미터 이상의 두께가 필요한 것으로 알려져 있다 박막의 두께가10

일정할 때 저항 값의 조절은 패턴의 선폭에 의하여 조절되게 된다 이러한 선폭을

조절하기 위하여 기존에 사용되는 방법은 레이저트리밍 습식 식각 건식 식각 등의

방법이 사용된다 선폭의 조절이나 소자의 열화와 같은 문제가 발생할 수 있다

- 28 -

본 과제에서는 박막형 온도센서 제작에 있어 실리콘 기판위에 절연층의 식각을 통

해 원하는 패턴을 미리 형성하고 금속을 증착하여 온도센서를 제조함으로써 백금박

막의 저항조절을 용이하게 하고 소자의 내구성 향상과 소자크기를 소형화한 온도센

서를 제작하고자 하였다 그림 는 본 과제의 온도센서 제조공정을 나타내는 그림 5

이다 공정의 용이성에 따라 절연막 코팅을 패드보호막 형성 이후에 진행할 수도

있다

그림 당 과제에서 개발한 매립형 백금박막 온도센서 제조공정 모식도 5

- 29 -

제 절 소자 평가4

백금저항 온도센서의 여러 가지 물성 측정은 규정에 따른다KS C 1603-1991 19)

이에 따르면 온도특성 전기적 특성 기계적 특성에 대한 측정으로 크게 구별 될 수

있다 온도특성에는 온도에 대한 허용오차 안정도 자기 가열특성 등이 있으며 전

기적 특성에는 절연저항 내전압 등이 있고 기계적 특성으로는 내충격성과 내진동

성 등의 세부 항목들이 있으며 각각의 특성치를 시험하기 위한 방법이 규정되어 있

다

국제온도눈금 규격 에(ITS-1990 The International Temperature Scale of 1990)

의하면 평형수소의 삼중점 부터 은의 응고점 까지의 영역에서는(138033K) (96178)

에서 정의된 고정점들 사이를 내삽해 주는 기준함수 및 편차함수를 사용ITS-1990

하여 교정된 백금저항온도계에 의해 정의되도록 하고 있다 따라서 온도센서의 검

교정은 사용영역 내에서의 고정점들과 표준온도계의 온도저항 특성을 비교함으로써

얻을 수 있다 본 과제에서는 제작된 온도센서 및 상용센서의 평가를 위해 한국표

준과학연구원의 온도연구실에 있는 장비를 이용하였다 리드선의 저항오차를 최대

한 줄이기 위해 선 결선 방법을 택하였으며 리드선으로 직경 의 백금 선4 02 mm

을 사용하였다 물의 삼중점 주석의 녹는점 아연의 녹는점 등의 고정점 개와 항 3

온조를 이용한 50~ 도 사이의 온도 범위에서 측정점을 정하여 백금표준온도450

저항값과 제작된 온도센서의 저항값을 측정하여 온도선형계수 및 고온에서의 허용

오차 등을 측정하였다 측정조건은 를 사용하여 규정전류 HP 3458 multimeter 1mA

를 회로상에 흐르도록 구성한 뒤 저항값을 소수 째 자리까지 측정하여 유효 숫자4

는 소수 자리까지 사용하였다 일정한 온도를 얻기 위하여 사용되는 항온조는 온3

도영역에 따라 이하의 저온 영역은 알콜 영역에서는 에틸렌 글리0 0~100

콜 은 실리콘 오일을 사용하였으며 원하는 온도에 이른 후 평형을 100~200

위하여 분 이상 기다린 다음 표준저항기와 온도센서의 저항값을 각각 회씩 측30 3

정하여 평균값을 취하였다

- 30 -

에서는 저항기의 기준값으로 를 물의 삼중점 의 저ITS-1990 R (27316K=001 )

항 값으로 취하고 있다 정점의 실현은 녹는점 또는 어는점에서 잠열의 출입과 관

계없이 일정한 온도를 유지하는 특성을 이용한 것으로 녹는점 부근에서의 열량 조

절이 매우 중요하다 주석과 아연의 녹는점 실현을 위한 로는 석영관 내부에 주석

과 아연이 들어 있는 가 있고 표준저항기와 측정하고자 하는 온도센서thermal bath

가 들어가 있는 작은 석영관으로 이루어진 이중 구조로 되어있다 녹는점의 실현

을 위해서는 정밀한 저항 조절을 통한 온도제어가 필요하다 이를 위해 사용되는

기기로는 등이 사용되는데 이는current comparator resistance bridge 10-7 ohm

정도의 저항 조절이 가능한 장비이며 이를 온도로 환산하면 정도의 고정001mK

밀도를 가진다

- 31 -

제 장 기술개발결과3

- 32 -

제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금 박막의 필요성1

백금 박막은 백금 자체의 온도 저항 특성을 이용한 온도센서 및 로서의 응용 heater

과 촉매로서의 활용도 활발하게 이루어지고 있다 박막온도센서로의 응용을 위해서

는 온도변화에 따른 저항 변화계수(Temperature Coefficient of Resistance TCR)

가 중요한데 규정값(38510-3 이상의 을 얻기 위해서는 백금의 두께가 ) TCR 1

이상이 되어야 한다고 알려져 있다 5) 그림 은 백금박막의 두께에 따른 의6 TCR

변화를 나타내는 그림이다 은 두께뿐만 아니라 백금 박막의 미세구조 불순물 TCR

기판의 열팽창 계수 등 여러 가지 요인에 의존한다 이러한 여러 변수 중 두께 및

미세구조 조절은 순도와 함께 최적의 온도 저항 계수를 위한 중요 변수로 작용하는

것으로 알려져 있다18-20)

그림 두께에 따른 온도저항계수의 변화 6 5)

실리콘 기판 위의 백금증착은 앞서 설명한 바와 같이 열팽창 계수의 차이 부착력

문제 등으로 원하는 을 얻기 어렵다 백금의 열팽창 계수는TCR 8910-6 로 경우degc

실리콘에(2610-6 비해 높은 값을 가지며 온도 에서 다음과 같은 저항체 길degC) T

이의 변화를 유발하게 된다

- 33 -

L(T)=L(o)(1+ (Tα t-To)

백금과 기판의 열팽창 계수 차이 온도 Tα

특히 기판의 열팽창 계수가 작으면 백금저항의 감소를 유발하게 되어 저하의 TCR

원인이 된다 따라서 기존 상용제품의 경우 대부분이 백금과 열팽창 계수 차이가

없고 부착력이 좋은 알루미나를 기판재료로 사용하고 있다 본 과제의 거대 입성장

된 백금박막은 이러한 열팽창 계수의 차이에서 오는 부의 효과를 미세구조의 조절

을 통해 극복하고자 하였다

에 영향을 미치는 접착증을 사용하지 않으면서 백금박막의 접착력 증진을 위TCR

한 방법은 기존의 이노스텍 특허 기술을 이용하여 증착할 수 있다36) 이 경우 백금

박막의 미세구조는 그림 과 같이 일반적인 구조의 백금박막을 얻을 수7 columnar

있다 그러나 이 경우 은 TCR 38010-3 정도로 온도센서로 사용가능한 규격 인

38010-3 에 크게 못 미침을 예비 실험을 통하여 알 수 있었다

그림 일반적인 백금박막의 미세구조를 나타내는 전자 현미경 사진 7

- 34 -

또한 승온과 냉각과정에서 같은 온도에서의 저항값이 서로 다른 특성을hysteresis

나타내었다 이는 온도의 상승에 따라 열팽창계수의 차이에 의한 응력이나 접착력

변화에서 기인되는 문제로 생각되었다 백금 박막의 미세구조를 단결정에 가깝게

제작할 수 있다면 입계면에서의 에 기인하는 저항변화 를 제거 할 수scatting factor

있다 본 과제에서는 이를 위하여 백금의 거대입성장 현상을 이용하여 두께 에 1

서 수 의 입자크기를 갖는 백금박막을 온도센서 소자로 사용하였다 거대입mm~cm

성장 박막의 증착 조건 등은 표 에 표시하였다6

- 35 -

거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

- 36 -

그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

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리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 2000

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9) Japan Patent No 58-130502(1983)

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12) M A Omar Elementary solid state physics Principles and Applications

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박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

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26) J P Holman Heat Transfer McGRAW-HILL Co p 110 (1981)

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감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

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일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

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(a) (b) (c)

그림 백금저항 온도센서의 종류 세선가공형 세라믹봉입형 박막형 1 (a) (b) (c)

이제까지 상용화된 백금저항 온도센서는 운모판에 백금선을 감은 운모형 세라믹

튜브내에 백금코일을 넣고 봉입한 세라믹형 및 백금코일을 저융점 유리로 molding

한 유리형이 광범위하게 사용되어 왔다8) 이들 센서는 고순도의 백금선으로 만들어

지기 때문에 기계적 특성 진동 충격 등 이 나쁘며 백금코일제작 및 에 많( ) molding

은 시간이 소요된다 또한 세라믹 봉입형의 경우 센서의 소형화가 어렵고 온도감응

속도가 느리며 생산비가 고가인 단점을 가지고 있다 이러한 단점을 극복하기 위해

최근에는 고도의 박막기술을 이용한 백금박막 온도센서의 개발이 매우 중요하게 되

었다 박막기술을 이용할 경우 온도센서의 소형화 및 신뢰성 향상은 물론이며 생산

비의 절감과 생산성 향상에 따른 경제적 파급효과가 매우 클 것으로 기대되고 있

다 지금까지 개발된 백금박막 온도센서의 경우 접착력과 기판과의 열팽창 계수의

차이에서 발생하는 문제로 인해 기판재료로 알루미나를 주로 사용하여 왔다59-11)

현재 백금박막 온도센서를 상용화한 회사로는 Heraeus Jumo(Germany) Hayashi

등의Denko (Japan) Minco Hycal(USA) Sentek(Taiwan) Xian Diamond(China)

회사가 있다

- 11 -

제 절 백금저항 온도센서 이론3

에 따르면 금속의 저항은 격자산란과 결함에 의한 산란 두가지Matthiessens rule

형태의 산술합으로 나타낼 수 있으며 다음의 식으로 표현된다

p = pi(T) + p

양자역학에 의하면 금속전도체 내에서의 전기전도는 전자에 의한 것임을 알 수 있

다12-14) 이상적인 결정체 격자진동도 존재하지 않는 상태 금속에서의 전도는 에( )

너지 손실 저항 없이 이루어질 수 있다 그러나 실제 금속에서는 격자진동과 결함( )

구조결함 불순물 등 이 존재하며 이들이 전기전도를 방해하는 저항으로 작용한다( )

전도전자가 충돌하기 전까지 진행한 평균길이를 전자의 평균자유행로라 하며(mean

라 하며 일반적으로 평균자유행로가 길수록 전기저항율은 작아짐을 알free path)

수 있다 표 은 금속의 전기저항율과 평균자유행로를 나타내는 표이다 3

표 금속에서의 평균자유행로 저항율 의 값 3 Debye temp 12-14)

격자진동 에 의한 저항은(phonon) pi 로 결함에 의한 저항은 로 나타낼 수 있(T) p

고 재료의 전체 저항율은 위의 로 나타낼 수 있다matthiessenrsquos rule

- 12 -

에서Matthiessens rule pi 는 과 전도전자의 충돌에 의한 저항율의 변화(T) phonon

를 나타내는 것이며 저항온도계의 온도 저항 특성을 결정하는 항이다 이론 Debye

에12) 의하면 pi 는 온도(T) Debye ( = hvθ max 를 기준으로 온도의존성이 다음과 같k)

이 나타나게 된다

pi(T) Tcong n for Tlt n = 5θ

pi(T) T for T gtθcong

표 에 여러 재료의 온도가 나타나 있다 온도 이상의 영역에서3 Debye Debye

에 의한 저항율의 온도의존성은 차 함수에 비례하는 것으로 생각할 수 있phonon 1

다 온도에 따라 저항율이 일정하기 위해서는 의 항이 온도 matthiessenrsquos rule p

의 존성이 없어야 하지만 실제로 Po = Po 값으로 온도의존성을 가지며+ (Tp)

여기에 영향을 미치는 인자는 크게 다음과 같이 나눌 수 있다18)

화학적 요인 조성 불순물 산화 기체의 흡수 등( )

물리적요인 격자결함 구조결함 공극 격자간원자 전위 적층결함 입계 등( )

기계적요인 외력 변형 변위 등( ) (stress) (strain)

온도센서 제조시 온도에 따른 의 제거가 소자의 정밀도 안정성 등을 결정하(Tp)

는 요인이 된다 조성의 경우 타켓의 순도에 의해 결정되므로 공정조절을 통해 조

절할 수는 없지만 가능하면 백금의 증착시에 기초 진공을 낮추어 주는 것이 좋다

(10-6 이하 표 는 불순물 농도에 따른 온도저항변화율을 나타내는 표이다Torr ) 4

표 불순물 농도에 따른 온도저항율 변화 4 18)

불순물 n(times10α -6)(ppm)

Ag 023

Rh 019

Si 027

Ru 018

Fe 078

Au 006

- 13 -

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적4

센서에 대한 연구 개발은 반도체 메모리 및 에너지 산업과 더불어 년대의 핵2000

심 첨단 산업의 하나로서 년대 이후 여러 분야에서 지속적으로 진행되어 오1980

고 있다 특히 초창기의 벌크 또는 후막식 센서에서 최근에는 고감도 및 대량 생산

이 용이한 박막형 센서에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다 박막형 센서는

박막의 특징인 소형화 및 정밀화가 가능하여 그 응용 범위가 제한이 없을 정도로

매우 유망한 분야이다 백금저항 온도센서는 그림 에 나타난 바와 같이 자동차 2

산업체 공정제어용 뿐만 아니라 백색가전 등 일상생활 전 분야에 폭넓게 이용되고

있으며 그 규모가 년 현재 전 세계적으로 약 억 달러에 이르렀으며 그 규모2002 10

가 성장하고 있는 매우 유망한 분야이다 특히 고성능 고정밀도를 갖는 백금박막

온도 센서 시장 규모의 증가는 써미스터나 써머커플의 시장 성장 속도에 비하여 매

무 높은 것으로 알려져 있다1-2)

그림 백금온도센서의 응용분야 2 15)

- 14 -

기존의 백금박막 온도센서 소자는 접착력 등의 문제로 알루미나 기판을 사용하여

제작되고 있다9-1115) 알루미나 기판 위에 원하는 금속박막을 증착한 후 일정한 저

항값을 얻기 위하여 금속박막을 레이저 트리밍 습식 식각 그리고 플라즈마 에칭과

같은 건식 식각을 통해 패턴을 형성하게 된다 알루미나 기판을 사용할 경우 증착

하는 금속박막의 두께가 마이크론 정도의 두께이므로 기판의 표면 거칠기를 정밀하

게 조절하기 위해 기판 표면 가공이 필요하게 된다 또한 표면 가공 후 금속박막의

부착력 증진을 위해 알루미나 기판 표면을 코로나 방전처리를 하기도 한다11) 이러

한 표면가공에는 많은 비용이 소요되어진다 금속박막의 패턴 형성을 위해 사용되

는 레이저 트리밍의 경우 레이저 가공에 의한 소자 열화 문제와 수율 등이 문제시

되며 감광막을 이용한 금속박막의 습식 식각에서는 식각의 진행 정도에 따라 용액

의 농도가 변화하여 식각 속도의 조절에 어려움이 있다 또한 금속 박막의 식각 속

도나 식각 양상에 따라 패턴 선폭이 제한되기도 한다 그림 은 레이저트리밍 이나 3

습식식각 공정을 통하여 제작된 백금 패턴을 보여주고 있다 식각 방법으로 패턴을

제작할 경우에는 가변저항을 만들어주어 패턴 형성 후에 저항을 조절하기도 한

다16) 건식 식각의 경우 비교적 정확하게 패턴을 형성할 수 있으나 금속에 따라서

는 식각된 금속 박막이 에칭 벽면에 달라붙어 정확한 패턴 형성에 어려움이 있으며

고가의 장비를 사용해야하는 단점이 있다17)

레이저 트리밍에 의한 패턴 형성(a)

식각 방법에 의한 패턴 형성(b)

그림 알루미나 기판을 사용한 상용센서의 패턴 형성 방법 3

- 15 -

기판을 사용할 경우 반도체 공정에 공정이 가능하고 가공 등이 용이하Si in-line

며 산화물 박막을 이용한 기능성 소자와 결합된 복합화 센서 를 제(hybride-sensor)

조할 수 있다는 장점을 가지고 있으나 박막과의 부착력이Pt AI2O3 기판에 비하여

크게 떨어지는 단점을 가지고 있다 SiO2 기판과 박막과의 부착력 증진을 위해pt

서는 산화물과 반응성이 좋은 등을 접착층으로 쓰거나Ti Cr 5) 고온 로 표 Plasma

면처리를 하는 방법이 사용되고 있으나 접착증의 사용은 백금박막의 온도선형 계수

를 저하시키고518) 시간에 따른 경시변화를 유발하며 고온 를 사용하는 경plasma

우에는 가격경쟁력과 수율에 문제가 있다

본 과제에서는 이노스텍이 보유하고 있는 기판 위에 백금증착기술과 미세패턴형Si

성 기술을 이용하여 실리콘 기판 위에 절연층을 형성하고 절연층을 식각한 후 금속

박막을 증착하여 패턴을 형성하는 것으로 다음과 같은 장점을 가지고 있다 기판으

로 기존의 알루미나 대신 실리콘 기판을 사용하여 온도센서로 사용할 경우 기판의

열전도가 커서 센서 소자의 응답특성을 향상시킬 수 있다 SiO2 절연층의 식각은

백금박막의 식각에 비하여 선폭 조절이 용이하고 균일도를 향상시킬 수 있으며 기

존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여 까지 선폭을sub-micron

조절할 수 있어 소자의 크기를 획기적으로 작게 할 수 있다 소자 크기의 감소는

응답특성 뿐만 아니라 생산단가를 낮출 수 있는 장점이 있다 또한 실리콘 기판을

사용할 경우 반도체 칩 내부에 온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시 반도체소자

오동작의 주요원인으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계 하여

해결할 수 있는 장점이 있다 또한 백금 박막이 식각된 Si02 표면 안쪽에 증착됨으

로써 후 공정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하여 내구성

을 증진시킬 수 있다

세계 최고의 반도체 단위 공정기술을 가지고 있는 한국에서 실리콘 기판을 사용 하

여 백금박막 온도센서를 제작할 수 있다면 기존 온도센서 시장으로의 진입 및 시

장 선도가 매우 유망 할 수 있다고 판단된다

- 16 -

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표5

최종목표(1) 반도체 공정기술을 이용한 백금박막 온도센서 양산기술 개발

실리콘 기판위에 표준저항 인 온도센서 개발Pt 100 Pt 500 Pt 1000

가 센서용 백금 박막의 증착 및 증착 공정의 최적화 RTD

두께에 따른 온도선형계수 변화(TCR) ㆍ

두께의 균일도는 이내1士ㆍ

미세구조 제어 입자크기에 따른 온도선형 계수 변화 특성( (TCR) )ㆍ

우선배향성에 따른 온도선형계수 변화 특성(TCR) ㆍ

비저항은 이하12 ㆍ μΩ

나 센서용 백금 박막선의 제작을 위한 미세회로 공정의 최적화 RTD

를 제외한 센서소자 크기Pad 22mmㆍ 2 이하

SiOㆍ 2 에칭을 통한 형성 선폭 최대 에서 최소 의 범위를 갖음pattern 100 3

설계된 의 형성에 따른 미세구조 제어patternㆍ

제작된 백금 박막선의 에서의 저항0degC (Rㆍ o 은 선폭 및 길이 또는 공정에 무관하)

게 최대 최소 임1000 100 Ω Ω

제작된 백금 박막선의 온도선형계수 값은 선폭 및 길이 또는 공정에 무관(TCR)ㆍ

하게 정확하게 38510-3 이상 이어야 함

다 소자 평가

및 규격에 따라 센서회로를 설계 제작함KS JIS ㆍ 19-20) 이들 규격에 의하면 제작된

백금 박막선 저항의 양끝에 개의 도선을 접속한 선식 한쪽 끝에 개 다른 한 끝1 2 2

에 개의 토선을 접속한 선식 및 양 끝에 개의 도선을 접속한 선식이 있음1 3 2 4

선식 및 선식은 도선의 저항 효과를 없애기 위한 방식이나 생산성의 저하 우려3 4ㆍ

가 있음 따라서 선식에 의한 회로 구성을 기본으로 선 및 선식을 병행함 2 3 4

선식의 경우 백금 박막선의 저항 값2 (Rㆍ RTD 에 대하여 도선의 저항 값을 충분히)

작게 하여 배 이하 도선의 온도 상승효과를 보상함(100 )

- 17 -

제작된 백금 박막선의 온도 변화에 따른 선형 저항 변화를 유지하기 위한 본딩ㆍ

패드와 도선 접합 저항의 최소화 접촉 저항은 미만( 01 )Ω

온도 구간에서 안정하게 저항 변화를 감지하는 회로 제작-200degC ~ 500degC ㆍ

고정점 에서의 온도 저항의triple point(0degC)- Indium melting point (15659degC)ㆍ

선형성 평가

- 18 -

제 장 기술개발 내용과 방법2

- 19 -

제 장 기술개발 내용과 방법2

제 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목1

표 개발 기술의 평가방법 및 평가항목 5

온도선형계수1

온도선형계수 는 온도센서의 성능을 구별하기 위해 특정온도 구간에서의 평균기(a)

울기로 정의되며 백금의 경우 사이에서의 평균기울기로 정의된다0-100degC 19-20)

DIN22) IEC23) 등 각국의 공업규격에서는 백금측온 저항체의 경우 값으로a

000385degC-1을 규정하고 있다

=(R(100)-R(0))100R(0)α

- 20 -

표준기급 백금저항온도계의 온도변환이나 공업용 저항온도계의 보정 시에는 저항의

절대 값보다 기준온도 에 대한 상대 저항비 가 중요하게 되며 상대 저항비(0degC) (W)

값으로 온도를 계산하게 된다 본 과제에서는 업계 최초로 실리콘 기판을 사용하여

공업규격에 맞는 온도선형성을 갖는 백금박막 온도센서를 개발하고자 하였다 현재

까지 국내에서 개발된 백금박막 온도센서의 경우 온도선형계수는 38510-3 미

만으로 알려져 있다24) 기판을 사용한 경우 층을 중간층으로 사용할 경우Si MgO

값이TCR 38510-3 이상 됨을 보고한 바 있으나 상용화 되거나 일반화 되지는

못하고 있다25))

표준저항2

현재까지 가장 많이 사용되고 있는 백금박막 온도센서으 에서의 표준저항은I 0

이다 이는 지금까지의 알루미나 기판에 과 같은 방법으로 제100 screen printingΩ

작되는 온도센서 제작기술로는 백금박막의 선폭을 하로 제작하기 어려워 소100 ol

자크기에 제한이 따르기 때문이다 최근 들어 사진식각공정이나 레이저 트리밍 기

술의 발전에 따라 선폭의 감소가 이루어져 의 표준저항을 갖는 소자500 1000Ω Ω

의 상용화가 시작되고 있다 표준저항이 클수록 온도 변화에 따른 저항변화가 커서

온도분해능이 증가하는 장점이 있다 본 과제에서는 실리콘 기판에 산화막을 형성

하고 산화막에칭을 통해 선폭을 조절하므로 선폭의 조절이 까지 가능sub-micron

하여 표준저항을 용이하게 증가시킬 수 있으나 선폭저하에 따른 물성저하 등을 고

려하여 본 과제에서는 우선 표준저항 을 목표로 패턴을 디자인 하였100 1000Ω Ω

다

선폭3

선폭은 크게 두가지 측면에서 중요한 인자가 된다 선폭이 감소하면 아래 식에서

저항값을 증가시킬 수 있어 표준저항을 높이거나 같은 표준저항에서 소자크기를 작

게 할 수 있다

R = p(LA) ----------(a)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

- 21 -

그러나 선폭이 너무 작아지면 박막의 두께에 의한 효과와 같이 비저항의 감소가 있

을 수 있다5) 본 과제에서는 선폭을 로 변화시켜 본 과제에서 개2 5 10 50

발된 백금박막 증착공정의 적용여부와 온도선형계수를 조사하였다

소자크기4

소자크기는 응답속도와 직접적인 관계를 갖는다 응답속도의 경우 온도센서의 분해

능 안정도 재현성 등과 더불어 온도센서를 평가하는 중요항목 중의 하나이다 일

반적으로 시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된632

다 온도센서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름

속도에 따라 달라지며 다음과 같은 식으로 알려져 있다 826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 열전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정 A

수 값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기뿐만 아니라 기판재료로 열전도가

알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므로 시정(25WmK) (148WmK)

수가 개선될 것으로 생각된다27)

온도안정성5

온도센서 특성중의 하나인 온도안정성은 의 국제규격에 따라 두 가지IEC751 type

으로 정의된다23)

Class A = (015+0002t)士

온도Class B = (030+0003t) t土

- 22 -

대부분의 박막타입의 경우 가 적용되고 있다 본 과제에서 적용된 백금 박class B

막의 경우 상온 증착 후 후열처리를 통해 백금의 입자크기가 의 크기를 갖mm~cm

는 단결정 입자로 구성되어 온도변화에 따른 특성이 매우 양호한hysteresis loop

특성을 가지고 있다 이러한 온도안정성에 영향을 미치는 요인으로는 흡착가스의

영향 백금입자의 입자성장 기판과의 열팽창 계수 차이에서 오는 응력 등이 주요

원인이 된다18) 상기평가항목의 평가 에 맞는 온도센서를 제작하기 위하여 증spec

착공정의 개발 패턴형성공정 개발 및 소자평가등 각각의 항목에 대한 세부내역은

제 절에 나타내었다2

- 23 -

제 절 백금박막 증착공정의 개발2

그림 는 본 과제에 사용된 기의 개략도를 나타내는 그림이다 진공시스4 sputtering

템은 와 로 구성되었으며rotary turbo pump 10-3 까지는 를 사Torr rotary pump

용하고 그 이후는 와 를 사용하여rotary turbo pump 3010-6 까지 반응실의Torr

진공을 유지 할 수 있도록 설계되었다 스퍼터 방식은 하향식이며 기판온도는 SiC

를 이용하여 까지 조절할 수 있다 균일한 증착을 위해 기판의 회전수heater 700

는 으로 조정가능하며 플라즈마 가스는 아르곤을 사용하였다 증착효율을1-20rpm

높이기 위해 타게트 뒷 부위에 영구자석을 설치한 방식을magnetron sputtering

채택하였다 가스압 조절을 위해 사의 사 MKS Baratron gauge Granville-phillips

의 를 사용하였으며 를 이용하여 가스의 유량을 조절vacuum gauge controller MFC

하였다 증착속도와 증착두께는 사의 Sycon Instruments STM-100MF

와 사의 을 이용하여 실측두께와 표시두께를thicknessrate monitor Tencor -stepα

보정하여 측정하였다

그림 본 과제에서 사용된 스퍼터링 시스템의 모식도4

- 24 -

일반적으로 스퍼터링에 사용되는 가스는 타게트 물질과의 반응을 방지하기 위하여

불활성 가스 를 사용한다 금속 타게트와 플라즈마 가스와의 반응을 이(Ar Kr Xe)

용한 에서는 반응가스로reactive sputtering O2를 첨가하기도 한다28) 본 연구에서

는 스퍼터링 가스로 아르곤과 아르곤 산소 가지를 사용하였으며 기판온도는 상온+ 2

으로 고정 시켰다 가스압은 증착 는 증착된 백금 1-22 mTorr power 100-250W

박막의 비저항은 를 이용하여 면저항을 측정한 후 을 이용하4 point probe -stepα

여 측정한 두께를 곱하여 구하였다 기판으로 사용된 실리콘 웨이퍼는 thermal

법으로 의oxidation 15 SiO 2 산화막이 증착된 이다P-type Si(100)

박막증착1

증착은 기판온도 가스압력 증착 뿐만 아니라 챔버의Sputtering power geometry

도 중요한 변수 중의 하나이다 예비 실험결과 아르곤만을 가지고 제작한 온도센서

는 기판과의 부착력이 나쁘고 온도선형성이나 온도저항계수 등 제반 사항이 온도센

서 제작에는 맞지 않은 것으로 판명되었다 또한 본 과제에서 기판과의 열팽창 계

수 차이에서 오는 온도저항계수의 저하를 백금미세구조 제어로 해결하고자 하였다

즉 백금박막의 거대입성장을 유도하여 거대입자로 구성된 온도센서를 제작하였다

거대입성장을 얻기 위한 공정은 기존의 실험결과를 바탕으로 다음과 같은 최적 조

건에서 박막을 증착하였다

표 온도센서 제작을 위한 백금박막의 최적 증착조건6

기판온도 가스비 아르곤 산소( ) 증착압력 증착power 비고

상온 1915(SCCM) 5 mTorr 170W

- 25 -

증착박막의 열처리2

증착된 박막의 열처리는 일반적인 전기로를 사용하였으며 공기중에서 600~1200

영역에서 한 시간 동안 열처리 하였다 열처리 조건에 따른 의 변화에 대한 많 TCR

은 보고가 있으나 본 실험에서는 한 시간으로 고정하였다24-2529) 이는 본 과제에

적용된 거대입성장 백금박막의 경우 시간에 따른 미세구조나 물성 차이를 보이지

않기 때문이었다 또한 백금증착시 산소를 점가하는 경우 백금산화물이 형성되거나

비저항 값이 증가하므로 열처리를 통해 증착 중 첨가된 산소를 박막외부로 확산시

켜야 한다 백금산화물의 경우 반도체 산화물로서 온도저항계수가 음의 값을 갖는

다2430-33) 이러한 산소의 탈착거동을 알아보기 위해 미소열량계를 이용하여 산소의

탈착거동을 관찰하였으며 소광계수의 변화 등을 관찰하였다 소광계수 측정을 위한

박막의 열처리는 진공분위기 에서 써머커플을 기판에 접촉시켜 측정하였(50 mTorr)

다

박막의 물성 측정3

두께 및 비저항 측정3-1

박막의 두께는 사의 을 이용하여 측정하였다 시편에 를 내Tencor -step scratchα

서 박막이 일부를 제거한 후 그 단차를 측정하여 두께를 측정한 후 4-point probe

로 측정한 면저항 값을 곱하여 비저항 값을 얻었다

미세구조 관찰3-2

박막의 입자크기는 이하이므로AS-depo 1000 TEM(Transmission ElectronÅ

관찰을 하였다 슬라이드에 시편을 붙이고 사포를 이용하여 이하Microscopy) 80

까지 연마한 후 하였다 한 시편을 직경 의 에 부착시dimpling dimpling 3 Cu grid

켜 을 하며 이 과정에서 입자충돌에 따른 국부적인 온도상승에 의한 박ion milling

막의 미세구조 변화를 막기 위해 액체질소를 이용하여 냉각하였다 열처리이후에는

를 이용하여 미세구조를 관찰하였다 거대입SEM(Scanning Electron Microscope)

성장의 관찰을 위해서는 광학현미경을 이용하여 입계를 관찰한 후 으로 보다SEM

자세한 입계면과 미세구조를 관찰하였다

결정성 분석3-3

박막의 결정성과 백금산화물의 상형성을 알아보기 위해 정도의 시편을 만1 x1

들어 사의 선 회절기로 을 얻었다 는MAC science X XRD pattern X-ray Cu Ka line

을 사용하였다( =15405 ) λ Å

- 26 -

첨가가스의 탈착 거동3-4

산소가스의 탈착 거동은 미세 열량분석계 와 를 이용하였다(DTA) ellipsometer DTA

는 반응생성물에 따라 계에 출입하는 미세 열량변화를 측정하여 계의 화학 반응온

도 등을 측정할 수 있는 측정 장비이다 는 특수한 광도계 Ellipsometer (

의 하나이며 빛의 편광상태의 변화를 측정하여 표면 및 박막의 구조와photometry)

물성 물질의 광특성 등을 연구하는데 사용되는 정밀 측정 기기이다

시료의 물성과 구조에 따라 반사 또는 투과광의 편광상태는 예민하게 변하므로 편

광상태 변화의 측정 및 분석을 통하여 시료의 물성과 구조에 대한 정보를 정밀하게

얻을 수 있어서 반도체 산업에서 산화막의 두께 및 두께 분포의 측정을 포함하여

박막 등의 분석에 널리 이용되고 있다

최근 반도체 광학재료의 제조 공정에 있어서 공정 제어를 위한 실시간 측정의 필

요성이 증대되고 있다 이에 따라 시료의 표면 상태와 박막의 구조 해석에 뛰어난

능력이 인정된 타원해석기를 이용하는 사례가 증가하고 있다

는 크게 나누어 와 단파장Ellipsometer spectroscopic ellipsometer(SE)

로 나눌 수 있는데 는 구조가 복잡하거나 물성이 알려져 있지 않은ellipsometer SE

시료의 기계적 두께 전자적 흡수단 구조 해석에 유리하지만 증착 에칭 열처리( ) ( )

표면반응 등의 공정 관측에는 거의 연속적인 데이터 획득이 유리한 단파장 타원해

석기가 널이 이용되고 있다 본 과제에서는 반사된 광원의 와 를 측정하 tan cosψ

여 굴절율 과 소광계수 값을 측정하였다(n) (k)

- 27 -

제 절 패턴 제작 공정의 개발3

일반적으로 금속의 저항은 다음의 식으로 표시된다

R = p(LA) -------------- (A)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 단면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

금속의 저항은 위와 같은 형태학적인 변수 외에 온도 등에도 의존하게 되는데 Pt

등의 경우 이러한 금속의 저항이 온도에 대해 선형적으로 증가하는 특Ni Cu W

성을 가지고 있다 이러한 온도저항 특성을 이용하여 주변의 온도를 감지하는 측온

저항체 온도센서로 많이 사용되고 있다 이러한 온도센서는 주변 온도에 대하여 다

음의 관계식을 갖는다

R(T) = R0 + TR0

온도 에서의 저항R(T) T Ro 기준점 에서의 저항 온도선형계수 측정온 (O ) T α

도

물질에 따라 온도선형계수 는 정해져 있으며 형태변수식 에 의한 금속의 저( ) (A)α

항 값이 높을수록 온도변화에 대한 저항변화 값이 증가하여 정확한 온도를 측정할

수 있다 소자의 경향에 따라 작은 크기의 미세소자로 원하는 기능을 輕薄短小化

얻고자 하는 것이 기술적인 경향이다 따라서 박막 기술을 이용한 금속 박막 온도

센서의 제작이 활발히 이루어지고 있으며 일부 제품의 경우 제품화되어 사용되고

있다 금속의 종류에 따라 특성을 나타내기 위한 최소의 박막 두께가 정해지 bulk

며 일정 두께 이하에서는 특성을 나타내지 못하게 된다 따라서 안정한 소자bulk

를 얻기 위해서는 일정 두께 이상의 박막두께가 필요하게 된다5) 백금저항소자의

경우 마이크로미터 이상의 두께가 필요한 것으로 알려져 있다 박막의 두께가10

일정할 때 저항 값의 조절은 패턴의 선폭에 의하여 조절되게 된다 이러한 선폭을

조절하기 위하여 기존에 사용되는 방법은 레이저트리밍 습식 식각 건식 식각 등의

방법이 사용된다 선폭의 조절이나 소자의 열화와 같은 문제가 발생할 수 있다

- 28 -

본 과제에서는 박막형 온도센서 제작에 있어 실리콘 기판위에 절연층의 식각을 통

해 원하는 패턴을 미리 형성하고 금속을 증착하여 온도센서를 제조함으로써 백금박

막의 저항조절을 용이하게 하고 소자의 내구성 향상과 소자크기를 소형화한 온도센

서를 제작하고자 하였다 그림 는 본 과제의 온도센서 제조공정을 나타내는 그림 5

이다 공정의 용이성에 따라 절연막 코팅을 패드보호막 형성 이후에 진행할 수도

있다

그림 당 과제에서 개발한 매립형 백금박막 온도센서 제조공정 모식도 5

- 29 -

제 절 소자 평가4

백금저항 온도센서의 여러 가지 물성 측정은 규정에 따른다KS C 1603-1991 19)

이에 따르면 온도특성 전기적 특성 기계적 특성에 대한 측정으로 크게 구별 될 수

있다 온도특성에는 온도에 대한 허용오차 안정도 자기 가열특성 등이 있으며 전

기적 특성에는 절연저항 내전압 등이 있고 기계적 특성으로는 내충격성과 내진동

성 등의 세부 항목들이 있으며 각각의 특성치를 시험하기 위한 방법이 규정되어 있

다

국제온도눈금 규격 에(ITS-1990 The International Temperature Scale of 1990)

의하면 평형수소의 삼중점 부터 은의 응고점 까지의 영역에서는(138033K) (96178)

에서 정의된 고정점들 사이를 내삽해 주는 기준함수 및 편차함수를 사용ITS-1990

하여 교정된 백금저항온도계에 의해 정의되도록 하고 있다 따라서 온도센서의 검

교정은 사용영역 내에서의 고정점들과 표준온도계의 온도저항 특성을 비교함으로써

얻을 수 있다 본 과제에서는 제작된 온도센서 및 상용센서의 평가를 위해 한국표

준과학연구원의 온도연구실에 있는 장비를 이용하였다 리드선의 저항오차를 최대

한 줄이기 위해 선 결선 방법을 택하였으며 리드선으로 직경 의 백금 선4 02 mm

을 사용하였다 물의 삼중점 주석의 녹는점 아연의 녹는점 등의 고정점 개와 항 3

온조를 이용한 50~ 도 사이의 온도 범위에서 측정점을 정하여 백금표준온도450

저항값과 제작된 온도센서의 저항값을 측정하여 온도선형계수 및 고온에서의 허용

오차 등을 측정하였다 측정조건은 를 사용하여 규정전류 HP 3458 multimeter 1mA

를 회로상에 흐르도록 구성한 뒤 저항값을 소수 째 자리까지 측정하여 유효 숫자4

는 소수 자리까지 사용하였다 일정한 온도를 얻기 위하여 사용되는 항온조는 온3

도영역에 따라 이하의 저온 영역은 알콜 영역에서는 에틸렌 글리0 0~100

콜 은 실리콘 오일을 사용하였으며 원하는 온도에 이른 후 평형을 100~200

위하여 분 이상 기다린 다음 표준저항기와 온도센서의 저항값을 각각 회씩 측30 3

정하여 평균값을 취하였다

- 30 -

에서는 저항기의 기준값으로 를 물의 삼중점 의 저ITS-1990 R (27316K=001 )

항 값으로 취하고 있다 정점의 실현은 녹는점 또는 어는점에서 잠열의 출입과 관

계없이 일정한 온도를 유지하는 특성을 이용한 것으로 녹는점 부근에서의 열량 조

절이 매우 중요하다 주석과 아연의 녹는점 실현을 위한 로는 석영관 내부에 주석

과 아연이 들어 있는 가 있고 표준저항기와 측정하고자 하는 온도센서thermal bath

가 들어가 있는 작은 석영관으로 이루어진 이중 구조로 되어있다 녹는점의 실현

을 위해서는 정밀한 저항 조절을 통한 온도제어가 필요하다 이를 위해 사용되는

기기로는 등이 사용되는데 이는current comparator resistance bridge 10-7 ohm

정도의 저항 조절이 가능한 장비이며 이를 온도로 환산하면 정도의 고정001mK

밀도를 가진다

- 31 -

제 장 기술개발결과3

- 32 -

제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금 박막의 필요성1

백금 박막은 백금 자체의 온도 저항 특성을 이용한 온도센서 및 로서의 응용 heater

과 촉매로서의 활용도 활발하게 이루어지고 있다 박막온도센서로의 응용을 위해서

는 온도변화에 따른 저항 변화계수(Temperature Coefficient of Resistance TCR)

가 중요한데 규정값(38510-3 이상의 을 얻기 위해서는 백금의 두께가 ) TCR 1

이상이 되어야 한다고 알려져 있다 5) 그림 은 백금박막의 두께에 따른 의6 TCR

변화를 나타내는 그림이다 은 두께뿐만 아니라 백금 박막의 미세구조 불순물 TCR

기판의 열팽창 계수 등 여러 가지 요인에 의존한다 이러한 여러 변수 중 두께 및

미세구조 조절은 순도와 함께 최적의 온도 저항 계수를 위한 중요 변수로 작용하는

것으로 알려져 있다18-20)

그림 두께에 따른 온도저항계수의 변화 6 5)

실리콘 기판 위의 백금증착은 앞서 설명한 바와 같이 열팽창 계수의 차이 부착력

문제 등으로 원하는 을 얻기 어렵다 백금의 열팽창 계수는TCR 8910-6 로 경우degc

실리콘에(2610-6 비해 높은 값을 가지며 온도 에서 다음과 같은 저항체 길degC) T

이의 변화를 유발하게 된다

- 33 -

L(T)=L(o)(1+ (Tα t-To)

백금과 기판의 열팽창 계수 차이 온도 Tα

특히 기판의 열팽창 계수가 작으면 백금저항의 감소를 유발하게 되어 저하의 TCR

원인이 된다 따라서 기존 상용제품의 경우 대부분이 백금과 열팽창 계수 차이가

없고 부착력이 좋은 알루미나를 기판재료로 사용하고 있다 본 과제의 거대 입성장

된 백금박막은 이러한 열팽창 계수의 차이에서 오는 부의 효과를 미세구조의 조절

을 통해 극복하고자 하였다

에 영향을 미치는 접착증을 사용하지 않으면서 백금박막의 접착력 증진을 위TCR

한 방법은 기존의 이노스텍 특허 기술을 이용하여 증착할 수 있다36) 이 경우 백금

박막의 미세구조는 그림 과 같이 일반적인 구조의 백금박막을 얻을 수7 columnar

있다 그러나 이 경우 은 TCR 38010-3 정도로 온도센서로 사용가능한 규격 인

38010-3 에 크게 못 미침을 예비 실험을 통하여 알 수 있었다

그림 일반적인 백금박막의 미세구조를 나타내는 전자 현미경 사진 7

- 34 -

또한 승온과 냉각과정에서 같은 온도에서의 저항값이 서로 다른 특성을hysteresis

나타내었다 이는 온도의 상승에 따라 열팽창계수의 차이에 의한 응력이나 접착력

변화에서 기인되는 문제로 생각되었다 백금 박막의 미세구조를 단결정에 가깝게

제작할 수 있다면 입계면에서의 에 기인하는 저항변화 를 제거 할 수scatting factor

있다 본 과제에서는 이를 위하여 백금의 거대입성장 현상을 이용하여 두께 에 1

서 수 의 입자크기를 갖는 백금박막을 온도센서 소자로 사용하였다 거대입mm~cm

성장 박막의 증착 조건 등은 표 에 표시하였다6

- 35 -

거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

- 36 -

그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 11 -

제 절 백금저항 온도센서 이론3

에 따르면 금속의 저항은 격자산란과 결함에 의한 산란 두가지Matthiessens rule

형태의 산술합으로 나타낼 수 있으며 다음의 식으로 표현된다

p = pi(T) + p

양자역학에 의하면 금속전도체 내에서의 전기전도는 전자에 의한 것임을 알 수 있

다12-14) 이상적인 결정체 격자진동도 존재하지 않는 상태 금속에서의 전도는 에( )

너지 손실 저항 없이 이루어질 수 있다 그러나 실제 금속에서는 격자진동과 결함( )

구조결함 불순물 등 이 존재하며 이들이 전기전도를 방해하는 저항으로 작용한다( )

전도전자가 충돌하기 전까지 진행한 평균길이를 전자의 평균자유행로라 하며(mean

라 하며 일반적으로 평균자유행로가 길수록 전기저항율은 작아짐을 알free path)

수 있다 표 은 금속의 전기저항율과 평균자유행로를 나타내는 표이다 3

표 금속에서의 평균자유행로 저항율 의 값 3 Debye temp 12-14)

격자진동 에 의한 저항은(phonon) pi 로 결함에 의한 저항은 로 나타낼 수 있(T) p

고 재료의 전체 저항율은 위의 로 나타낼 수 있다matthiessenrsquos rule

- 12 -

에서Matthiessens rule pi 는 과 전도전자의 충돌에 의한 저항율의 변화(T) phonon

를 나타내는 것이며 저항온도계의 온도 저항 특성을 결정하는 항이다 이론 Debye

에12) 의하면 pi 는 온도(T) Debye ( = hvθ max 를 기준으로 온도의존성이 다음과 같k)

이 나타나게 된다

pi(T) Tcong n for Tlt n = 5θ

pi(T) T for T gtθcong

표 에 여러 재료의 온도가 나타나 있다 온도 이상의 영역에서3 Debye Debye

에 의한 저항율의 온도의존성은 차 함수에 비례하는 것으로 생각할 수 있phonon 1

다 온도에 따라 저항율이 일정하기 위해서는 의 항이 온도 matthiessenrsquos rule p

의 존성이 없어야 하지만 실제로 Po = Po 값으로 온도의존성을 가지며+ (Tp)

여기에 영향을 미치는 인자는 크게 다음과 같이 나눌 수 있다18)

화학적 요인 조성 불순물 산화 기체의 흡수 등( )

물리적요인 격자결함 구조결함 공극 격자간원자 전위 적층결함 입계 등( )

기계적요인 외력 변형 변위 등( ) (stress) (strain)

온도센서 제조시 온도에 따른 의 제거가 소자의 정밀도 안정성 등을 결정하(Tp)

는 요인이 된다 조성의 경우 타켓의 순도에 의해 결정되므로 공정조절을 통해 조

절할 수는 없지만 가능하면 백금의 증착시에 기초 진공을 낮추어 주는 것이 좋다

(10-6 이하 표 는 불순물 농도에 따른 온도저항변화율을 나타내는 표이다Torr ) 4

표 불순물 농도에 따른 온도저항율 변화 4 18)

불순물 n(times10α -6)(ppm)

Ag 023

Rh 019

Si 027

Ru 018

Fe 078

Au 006

- 13 -

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적4

센서에 대한 연구 개발은 반도체 메모리 및 에너지 산업과 더불어 년대의 핵2000

심 첨단 산업의 하나로서 년대 이후 여러 분야에서 지속적으로 진행되어 오1980

고 있다 특히 초창기의 벌크 또는 후막식 센서에서 최근에는 고감도 및 대량 생산

이 용이한 박막형 센서에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다 박막형 센서는

박막의 특징인 소형화 및 정밀화가 가능하여 그 응용 범위가 제한이 없을 정도로

매우 유망한 분야이다 백금저항 온도센서는 그림 에 나타난 바와 같이 자동차 2

산업체 공정제어용 뿐만 아니라 백색가전 등 일상생활 전 분야에 폭넓게 이용되고

있으며 그 규모가 년 현재 전 세계적으로 약 억 달러에 이르렀으며 그 규모2002 10

가 성장하고 있는 매우 유망한 분야이다 특히 고성능 고정밀도를 갖는 백금박막

온도 센서 시장 규모의 증가는 써미스터나 써머커플의 시장 성장 속도에 비하여 매

무 높은 것으로 알려져 있다1-2)

그림 백금온도센서의 응용분야 2 15)

- 14 -

기존의 백금박막 온도센서 소자는 접착력 등의 문제로 알루미나 기판을 사용하여

제작되고 있다9-1115) 알루미나 기판 위에 원하는 금속박막을 증착한 후 일정한 저

항값을 얻기 위하여 금속박막을 레이저 트리밍 습식 식각 그리고 플라즈마 에칭과

같은 건식 식각을 통해 패턴을 형성하게 된다 알루미나 기판을 사용할 경우 증착

하는 금속박막의 두께가 마이크론 정도의 두께이므로 기판의 표면 거칠기를 정밀하

게 조절하기 위해 기판 표면 가공이 필요하게 된다 또한 표면 가공 후 금속박막의

부착력 증진을 위해 알루미나 기판 표면을 코로나 방전처리를 하기도 한다11) 이러

한 표면가공에는 많은 비용이 소요되어진다 금속박막의 패턴 형성을 위해 사용되

는 레이저 트리밍의 경우 레이저 가공에 의한 소자 열화 문제와 수율 등이 문제시

되며 감광막을 이용한 금속박막의 습식 식각에서는 식각의 진행 정도에 따라 용액

의 농도가 변화하여 식각 속도의 조절에 어려움이 있다 또한 금속 박막의 식각 속

도나 식각 양상에 따라 패턴 선폭이 제한되기도 한다 그림 은 레이저트리밍 이나 3

습식식각 공정을 통하여 제작된 백금 패턴을 보여주고 있다 식각 방법으로 패턴을

제작할 경우에는 가변저항을 만들어주어 패턴 형성 후에 저항을 조절하기도 한

다16) 건식 식각의 경우 비교적 정확하게 패턴을 형성할 수 있으나 금속에 따라서

는 식각된 금속 박막이 에칭 벽면에 달라붙어 정확한 패턴 형성에 어려움이 있으며

고가의 장비를 사용해야하는 단점이 있다17)

레이저 트리밍에 의한 패턴 형성(a)

식각 방법에 의한 패턴 형성(b)

그림 알루미나 기판을 사용한 상용센서의 패턴 형성 방법 3

- 15 -

기판을 사용할 경우 반도체 공정에 공정이 가능하고 가공 등이 용이하Si in-line

며 산화물 박막을 이용한 기능성 소자와 결합된 복합화 센서 를 제(hybride-sensor)

조할 수 있다는 장점을 가지고 있으나 박막과의 부착력이Pt AI2O3 기판에 비하여

크게 떨어지는 단점을 가지고 있다 SiO2 기판과 박막과의 부착력 증진을 위해pt

서는 산화물과 반응성이 좋은 등을 접착층으로 쓰거나Ti Cr 5) 고온 로 표 Plasma

면처리를 하는 방법이 사용되고 있으나 접착증의 사용은 백금박막의 온도선형 계수

를 저하시키고518) 시간에 따른 경시변화를 유발하며 고온 를 사용하는 경plasma

우에는 가격경쟁력과 수율에 문제가 있다

본 과제에서는 이노스텍이 보유하고 있는 기판 위에 백금증착기술과 미세패턴형Si

성 기술을 이용하여 실리콘 기판 위에 절연층을 형성하고 절연층을 식각한 후 금속

박막을 증착하여 패턴을 형성하는 것으로 다음과 같은 장점을 가지고 있다 기판으

로 기존의 알루미나 대신 실리콘 기판을 사용하여 온도센서로 사용할 경우 기판의

열전도가 커서 센서 소자의 응답특성을 향상시킬 수 있다 SiO2 절연층의 식각은

백금박막의 식각에 비하여 선폭 조절이 용이하고 균일도를 향상시킬 수 있으며 기

존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여 까지 선폭을sub-micron

조절할 수 있어 소자의 크기를 획기적으로 작게 할 수 있다 소자 크기의 감소는

응답특성 뿐만 아니라 생산단가를 낮출 수 있는 장점이 있다 또한 실리콘 기판을

사용할 경우 반도체 칩 내부에 온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시 반도체소자

오동작의 주요원인으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계 하여

해결할 수 있는 장점이 있다 또한 백금 박막이 식각된 Si02 표면 안쪽에 증착됨으

로써 후 공정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하여 내구성

을 증진시킬 수 있다

세계 최고의 반도체 단위 공정기술을 가지고 있는 한국에서 실리콘 기판을 사용 하

여 백금박막 온도센서를 제작할 수 있다면 기존 온도센서 시장으로의 진입 및 시

장 선도가 매우 유망 할 수 있다고 판단된다

- 16 -

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표5

최종목표(1) 반도체 공정기술을 이용한 백금박막 온도센서 양산기술 개발

실리콘 기판위에 표준저항 인 온도센서 개발Pt 100 Pt 500 Pt 1000

가 센서용 백금 박막의 증착 및 증착 공정의 최적화 RTD

두께에 따른 온도선형계수 변화(TCR) ㆍ

두께의 균일도는 이내1士ㆍ

미세구조 제어 입자크기에 따른 온도선형 계수 변화 특성( (TCR) )ㆍ

우선배향성에 따른 온도선형계수 변화 특성(TCR) ㆍ

비저항은 이하12 ㆍ μΩ

나 센서용 백금 박막선의 제작을 위한 미세회로 공정의 최적화 RTD

를 제외한 센서소자 크기Pad 22mmㆍ 2 이하

SiOㆍ 2 에칭을 통한 형성 선폭 최대 에서 최소 의 범위를 갖음pattern 100 3

설계된 의 형성에 따른 미세구조 제어patternㆍ

제작된 백금 박막선의 에서의 저항0degC (Rㆍ o 은 선폭 및 길이 또는 공정에 무관하)

게 최대 최소 임1000 100 Ω Ω

제작된 백금 박막선의 온도선형계수 값은 선폭 및 길이 또는 공정에 무관(TCR)ㆍ

하게 정확하게 38510-3 이상 이어야 함

다 소자 평가

및 규격에 따라 센서회로를 설계 제작함KS JIS ㆍ 19-20) 이들 규격에 의하면 제작된

백금 박막선 저항의 양끝에 개의 도선을 접속한 선식 한쪽 끝에 개 다른 한 끝1 2 2

에 개의 토선을 접속한 선식 및 양 끝에 개의 도선을 접속한 선식이 있음1 3 2 4

선식 및 선식은 도선의 저항 효과를 없애기 위한 방식이나 생산성의 저하 우려3 4ㆍ

가 있음 따라서 선식에 의한 회로 구성을 기본으로 선 및 선식을 병행함 2 3 4

선식의 경우 백금 박막선의 저항 값2 (Rㆍ RTD 에 대하여 도선의 저항 값을 충분히)

작게 하여 배 이하 도선의 온도 상승효과를 보상함(100 )

- 17 -

제작된 백금 박막선의 온도 변화에 따른 선형 저항 변화를 유지하기 위한 본딩ㆍ

패드와 도선 접합 저항의 최소화 접촉 저항은 미만( 01 )Ω

온도 구간에서 안정하게 저항 변화를 감지하는 회로 제작-200degC ~ 500degC ㆍ

고정점 에서의 온도 저항의triple point(0degC)- Indium melting point (15659degC)ㆍ

선형성 평가

- 18 -

제 장 기술개발 내용과 방법2

- 19 -

제 장 기술개발 내용과 방법2

제 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목1

표 개발 기술의 평가방법 및 평가항목 5

온도선형계수1

온도선형계수 는 온도센서의 성능을 구별하기 위해 특정온도 구간에서의 평균기(a)

울기로 정의되며 백금의 경우 사이에서의 평균기울기로 정의된다0-100degC 19-20)

DIN22) IEC23) 등 각국의 공업규격에서는 백금측온 저항체의 경우 값으로a

000385degC-1을 규정하고 있다

=(R(100)-R(0))100R(0)α

- 20 -

표준기급 백금저항온도계의 온도변환이나 공업용 저항온도계의 보정 시에는 저항의

절대 값보다 기준온도 에 대한 상대 저항비 가 중요하게 되며 상대 저항비(0degC) (W)

값으로 온도를 계산하게 된다 본 과제에서는 업계 최초로 실리콘 기판을 사용하여

공업규격에 맞는 온도선형성을 갖는 백금박막 온도센서를 개발하고자 하였다 현재

까지 국내에서 개발된 백금박막 온도센서의 경우 온도선형계수는 38510-3 미

만으로 알려져 있다24) 기판을 사용한 경우 층을 중간층으로 사용할 경우Si MgO

값이TCR 38510-3 이상 됨을 보고한 바 있으나 상용화 되거나 일반화 되지는

못하고 있다25))

표준저항2

현재까지 가장 많이 사용되고 있는 백금박막 온도센서으 에서의 표준저항은I 0

이다 이는 지금까지의 알루미나 기판에 과 같은 방법으로 제100 screen printingΩ

작되는 온도센서 제작기술로는 백금박막의 선폭을 하로 제작하기 어려워 소100 ol

자크기에 제한이 따르기 때문이다 최근 들어 사진식각공정이나 레이저 트리밍 기

술의 발전에 따라 선폭의 감소가 이루어져 의 표준저항을 갖는 소자500 1000Ω Ω

의 상용화가 시작되고 있다 표준저항이 클수록 온도 변화에 따른 저항변화가 커서

온도분해능이 증가하는 장점이 있다 본 과제에서는 실리콘 기판에 산화막을 형성

하고 산화막에칭을 통해 선폭을 조절하므로 선폭의 조절이 까지 가능sub-micron

하여 표준저항을 용이하게 증가시킬 수 있으나 선폭저하에 따른 물성저하 등을 고

려하여 본 과제에서는 우선 표준저항 을 목표로 패턴을 디자인 하였100 1000Ω Ω

다

선폭3

선폭은 크게 두가지 측면에서 중요한 인자가 된다 선폭이 감소하면 아래 식에서

저항값을 증가시킬 수 있어 표준저항을 높이거나 같은 표준저항에서 소자크기를 작

게 할 수 있다

R = p(LA) ----------(a)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

- 21 -

그러나 선폭이 너무 작아지면 박막의 두께에 의한 효과와 같이 비저항의 감소가 있

을 수 있다5) 본 과제에서는 선폭을 로 변화시켜 본 과제에서 개2 5 10 50

발된 백금박막 증착공정의 적용여부와 온도선형계수를 조사하였다

소자크기4

소자크기는 응답속도와 직접적인 관계를 갖는다 응답속도의 경우 온도센서의 분해

능 안정도 재현성 등과 더불어 온도센서를 평가하는 중요항목 중의 하나이다 일

반적으로 시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된632

다 온도센서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름

속도에 따라 달라지며 다음과 같은 식으로 알려져 있다 826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 열전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정 A

수 값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기뿐만 아니라 기판재료로 열전도가

알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므로 시정(25WmK) (148WmK)

수가 개선될 것으로 생각된다27)

온도안정성5

온도센서 특성중의 하나인 온도안정성은 의 국제규격에 따라 두 가지IEC751 type

으로 정의된다23)

Class A = (015+0002t)士

온도Class B = (030+0003t) t土

- 22 -

대부분의 박막타입의 경우 가 적용되고 있다 본 과제에서 적용된 백금 박class B

막의 경우 상온 증착 후 후열처리를 통해 백금의 입자크기가 의 크기를 갖mm~cm

는 단결정 입자로 구성되어 온도변화에 따른 특성이 매우 양호한hysteresis loop

특성을 가지고 있다 이러한 온도안정성에 영향을 미치는 요인으로는 흡착가스의

영향 백금입자의 입자성장 기판과의 열팽창 계수 차이에서 오는 응력 등이 주요

원인이 된다18) 상기평가항목의 평가 에 맞는 온도센서를 제작하기 위하여 증spec

착공정의 개발 패턴형성공정 개발 및 소자평가등 각각의 항목에 대한 세부내역은

제 절에 나타내었다2

- 23 -

제 절 백금박막 증착공정의 개발2

그림 는 본 과제에 사용된 기의 개략도를 나타내는 그림이다 진공시스4 sputtering

템은 와 로 구성되었으며rotary turbo pump 10-3 까지는 를 사Torr rotary pump

용하고 그 이후는 와 를 사용하여rotary turbo pump 3010-6 까지 반응실의Torr

진공을 유지 할 수 있도록 설계되었다 스퍼터 방식은 하향식이며 기판온도는 SiC

를 이용하여 까지 조절할 수 있다 균일한 증착을 위해 기판의 회전수heater 700

는 으로 조정가능하며 플라즈마 가스는 아르곤을 사용하였다 증착효율을1-20rpm

높이기 위해 타게트 뒷 부위에 영구자석을 설치한 방식을magnetron sputtering

채택하였다 가스압 조절을 위해 사의 사 MKS Baratron gauge Granville-phillips

의 를 사용하였으며 를 이용하여 가스의 유량을 조절vacuum gauge controller MFC

하였다 증착속도와 증착두께는 사의 Sycon Instruments STM-100MF

와 사의 을 이용하여 실측두께와 표시두께를thicknessrate monitor Tencor -stepα

보정하여 측정하였다

그림 본 과제에서 사용된 스퍼터링 시스템의 모식도4

- 24 -

일반적으로 스퍼터링에 사용되는 가스는 타게트 물질과의 반응을 방지하기 위하여

불활성 가스 를 사용한다 금속 타게트와 플라즈마 가스와의 반응을 이(Ar Kr Xe)

용한 에서는 반응가스로reactive sputtering O2를 첨가하기도 한다28) 본 연구에서

는 스퍼터링 가스로 아르곤과 아르곤 산소 가지를 사용하였으며 기판온도는 상온+ 2

으로 고정 시켰다 가스압은 증착 는 증착된 백금 1-22 mTorr power 100-250W

박막의 비저항은 를 이용하여 면저항을 측정한 후 을 이용하4 point probe -stepα

여 측정한 두께를 곱하여 구하였다 기판으로 사용된 실리콘 웨이퍼는 thermal

법으로 의oxidation 15 SiO 2 산화막이 증착된 이다P-type Si(100)

박막증착1

증착은 기판온도 가스압력 증착 뿐만 아니라 챔버의Sputtering power geometry

도 중요한 변수 중의 하나이다 예비 실험결과 아르곤만을 가지고 제작한 온도센서

는 기판과의 부착력이 나쁘고 온도선형성이나 온도저항계수 등 제반 사항이 온도센

서 제작에는 맞지 않은 것으로 판명되었다 또한 본 과제에서 기판과의 열팽창 계

수 차이에서 오는 온도저항계수의 저하를 백금미세구조 제어로 해결하고자 하였다

즉 백금박막의 거대입성장을 유도하여 거대입자로 구성된 온도센서를 제작하였다

거대입성장을 얻기 위한 공정은 기존의 실험결과를 바탕으로 다음과 같은 최적 조

건에서 박막을 증착하였다

표 온도센서 제작을 위한 백금박막의 최적 증착조건6

기판온도 가스비 아르곤 산소( ) 증착압력 증착power 비고

상온 1915(SCCM) 5 mTorr 170W

- 25 -

증착박막의 열처리2

증착된 박막의 열처리는 일반적인 전기로를 사용하였으며 공기중에서 600~1200

영역에서 한 시간 동안 열처리 하였다 열처리 조건에 따른 의 변화에 대한 많 TCR

은 보고가 있으나 본 실험에서는 한 시간으로 고정하였다24-2529) 이는 본 과제에

적용된 거대입성장 백금박막의 경우 시간에 따른 미세구조나 물성 차이를 보이지

않기 때문이었다 또한 백금증착시 산소를 점가하는 경우 백금산화물이 형성되거나

비저항 값이 증가하므로 열처리를 통해 증착 중 첨가된 산소를 박막외부로 확산시

켜야 한다 백금산화물의 경우 반도체 산화물로서 온도저항계수가 음의 값을 갖는

다2430-33) 이러한 산소의 탈착거동을 알아보기 위해 미소열량계를 이용하여 산소의

탈착거동을 관찰하였으며 소광계수의 변화 등을 관찰하였다 소광계수 측정을 위한

박막의 열처리는 진공분위기 에서 써머커플을 기판에 접촉시켜 측정하였(50 mTorr)

다

박막의 물성 측정3

두께 및 비저항 측정3-1

박막의 두께는 사의 을 이용하여 측정하였다 시편에 를 내Tencor -step scratchα

서 박막이 일부를 제거한 후 그 단차를 측정하여 두께를 측정한 후 4-point probe

로 측정한 면저항 값을 곱하여 비저항 값을 얻었다

미세구조 관찰3-2

박막의 입자크기는 이하이므로AS-depo 1000 TEM(Transmission ElectronÅ

관찰을 하였다 슬라이드에 시편을 붙이고 사포를 이용하여 이하Microscopy) 80

까지 연마한 후 하였다 한 시편을 직경 의 에 부착시dimpling dimpling 3 Cu grid

켜 을 하며 이 과정에서 입자충돌에 따른 국부적인 온도상승에 의한 박ion milling

막의 미세구조 변화를 막기 위해 액체질소를 이용하여 냉각하였다 열처리이후에는

를 이용하여 미세구조를 관찰하였다 거대입SEM(Scanning Electron Microscope)

성장의 관찰을 위해서는 광학현미경을 이용하여 입계를 관찰한 후 으로 보다SEM

자세한 입계면과 미세구조를 관찰하였다

결정성 분석3-3

박막의 결정성과 백금산화물의 상형성을 알아보기 위해 정도의 시편을 만1 x1

들어 사의 선 회절기로 을 얻었다 는MAC science X XRD pattern X-ray Cu Ka line

을 사용하였다( =15405 ) λ Å

- 26 -

첨가가스의 탈착 거동3-4

산소가스의 탈착 거동은 미세 열량분석계 와 를 이용하였다(DTA) ellipsometer DTA

는 반응생성물에 따라 계에 출입하는 미세 열량변화를 측정하여 계의 화학 반응온

도 등을 측정할 수 있는 측정 장비이다 는 특수한 광도계 Ellipsometer (

의 하나이며 빛의 편광상태의 변화를 측정하여 표면 및 박막의 구조와photometry)

물성 물질의 광특성 등을 연구하는데 사용되는 정밀 측정 기기이다

시료의 물성과 구조에 따라 반사 또는 투과광의 편광상태는 예민하게 변하므로 편

광상태 변화의 측정 및 분석을 통하여 시료의 물성과 구조에 대한 정보를 정밀하게

얻을 수 있어서 반도체 산업에서 산화막의 두께 및 두께 분포의 측정을 포함하여

박막 등의 분석에 널리 이용되고 있다

최근 반도체 광학재료의 제조 공정에 있어서 공정 제어를 위한 실시간 측정의 필

요성이 증대되고 있다 이에 따라 시료의 표면 상태와 박막의 구조 해석에 뛰어난

능력이 인정된 타원해석기를 이용하는 사례가 증가하고 있다

는 크게 나누어 와 단파장Ellipsometer spectroscopic ellipsometer(SE)

로 나눌 수 있는데 는 구조가 복잡하거나 물성이 알려져 있지 않은ellipsometer SE

시료의 기계적 두께 전자적 흡수단 구조 해석에 유리하지만 증착 에칭 열처리( ) ( )

표면반응 등의 공정 관측에는 거의 연속적인 데이터 획득이 유리한 단파장 타원해

석기가 널이 이용되고 있다 본 과제에서는 반사된 광원의 와 를 측정하 tan cosψ

여 굴절율 과 소광계수 값을 측정하였다(n) (k)

- 27 -

제 절 패턴 제작 공정의 개발3

일반적으로 금속의 저항은 다음의 식으로 표시된다

R = p(LA) -------------- (A)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 단면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

금속의 저항은 위와 같은 형태학적인 변수 외에 온도 등에도 의존하게 되는데 Pt

등의 경우 이러한 금속의 저항이 온도에 대해 선형적으로 증가하는 특Ni Cu W

성을 가지고 있다 이러한 온도저항 특성을 이용하여 주변의 온도를 감지하는 측온

저항체 온도센서로 많이 사용되고 있다 이러한 온도센서는 주변 온도에 대하여 다

음의 관계식을 갖는다

R(T) = R0 + TR0

온도 에서의 저항R(T) T Ro 기준점 에서의 저항 온도선형계수 측정온 (O ) T α

도

물질에 따라 온도선형계수 는 정해져 있으며 형태변수식 에 의한 금속의 저( ) (A)α

항 값이 높을수록 온도변화에 대한 저항변화 값이 증가하여 정확한 온도를 측정할

수 있다 소자의 경향에 따라 작은 크기의 미세소자로 원하는 기능을 輕薄短小化

얻고자 하는 것이 기술적인 경향이다 따라서 박막 기술을 이용한 금속 박막 온도

센서의 제작이 활발히 이루어지고 있으며 일부 제품의 경우 제품화되어 사용되고

있다 금속의 종류에 따라 특성을 나타내기 위한 최소의 박막 두께가 정해지 bulk

며 일정 두께 이하에서는 특성을 나타내지 못하게 된다 따라서 안정한 소자bulk

를 얻기 위해서는 일정 두께 이상의 박막두께가 필요하게 된다5) 백금저항소자의

경우 마이크로미터 이상의 두께가 필요한 것으로 알려져 있다 박막의 두께가10

일정할 때 저항 값의 조절은 패턴의 선폭에 의하여 조절되게 된다 이러한 선폭을

조절하기 위하여 기존에 사용되는 방법은 레이저트리밍 습식 식각 건식 식각 등의

방법이 사용된다 선폭의 조절이나 소자의 열화와 같은 문제가 발생할 수 있다

- 28 -

본 과제에서는 박막형 온도센서 제작에 있어 실리콘 기판위에 절연층의 식각을 통

해 원하는 패턴을 미리 형성하고 금속을 증착하여 온도센서를 제조함으로써 백금박

막의 저항조절을 용이하게 하고 소자의 내구성 향상과 소자크기를 소형화한 온도센

서를 제작하고자 하였다 그림 는 본 과제의 온도센서 제조공정을 나타내는 그림 5

이다 공정의 용이성에 따라 절연막 코팅을 패드보호막 형성 이후에 진행할 수도

있다

그림 당 과제에서 개발한 매립형 백금박막 온도센서 제조공정 모식도 5

- 29 -

제 절 소자 평가4

백금저항 온도센서의 여러 가지 물성 측정은 규정에 따른다KS C 1603-1991 19)

이에 따르면 온도특성 전기적 특성 기계적 특성에 대한 측정으로 크게 구별 될 수

있다 온도특성에는 온도에 대한 허용오차 안정도 자기 가열특성 등이 있으며 전

기적 특성에는 절연저항 내전압 등이 있고 기계적 특성으로는 내충격성과 내진동

성 등의 세부 항목들이 있으며 각각의 특성치를 시험하기 위한 방법이 규정되어 있

다

국제온도눈금 규격 에(ITS-1990 The International Temperature Scale of 1990)

의하면 평형수소의 삼중점 부터 은의 응고점 까지의 영역에서는(138033K) (96178)

에서 정의된 고정점들 사이를 내삽해 주는 기준함수 및 편차함수를 사용ITS-1990

하여 교정된 백금저항온도계에 의해 정의되도록 하고 있다 따라서 온도센서의 검

교정은 사용영역 내에서의 고정점들과 표준온도계의 온도저항 특성을 비교함으로써

얻을 수 있다 본 과제에서는 제작된 온도센서 및 상용센서의 평가를 위해 한국표

준과학연구원의 온도연구실에 있는 장비를 이용하였다 리드선의 저항오차를 최대

한 줄이기 위해 선 결선 방법을 택하였으며 리드선으로 직경 의 백금 선4 02 mm

을 사용하였다 물의 삼중점 주석의 녹는점 아연의 녹는점 등의 고정점 개와 항 3

온조를 이용한 50~ 도 사이의 온도 범위에서 측정점을 정하여 백금표준온도450

저항값과 제작된 온도센서의 저항값을 측정하여 온도선형계수 및 고온에서의 허용

오차 등을 측정하였다 측정조건은 를 사용하여 규정전류 HP 3458 multimeter 1mA

를 회로상에 흐르도록 구성한 뒤 저항값을 소수 째 자리까지 측정하여 유효 숫자4

는 소수 자리까지 사용하였다 일정한 온도를 얻기 위하여 사용되는 항온조는 온3

도영역에 따라 이하의 저온 영역은 알콜 영역에서는 에틸렌 글리0 0~100

콜 은 실리콘 오일을 사용하였으며 원하는 온도에 이른 후 평형을 100~200

위하여 분 이상 기다린 다음 표준저항기와 온도센서의 저항값을 각각 회씩 측30 3

정하여 평균값을 취하였다

- 30 -

에서는 저항기의 기준값으로 를 물의 삼중점 의 저ITS-1990 R (27316K=001 )

항 값으로 취하고 있다 정점의 실현은 녹는점 또는 어는점에서 잠열의 출입과 관

계없이 일정한 온도를 유지하는 특성을 이용한 것으로 녹는점 부근에서의 열량 조

절이 매우 중요하다 주석과 아연의 녹는점 실현을 위한 로는 석영관 내부에 주석

과 아연이 들어 있는 가 있고 표준저항기와 측정하고자 하는 온도센서thermal bath

가 들어가 있는 작은 석영관으로 이루어진 이중 구조로 되어있다 녹는점의 실현

을 위해서는 정밀한 저항 조절을 통한 온도제어가 필요하다 이를 위해 사용되는

기기로는 등이 사용되는데 이는current comparator resistance bridge 10-7 ohm

정도의 저항 조절이 가능한 장비이며 이를 온도로 환산하면 정도의 고정001mK

밀도를 가진다

- 31 -

제 장 기술개발결과3

- 32 -

제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금 박막의 필요성1

백금 박막은 백금 자체의 온도 저항 특성을 이용한 온도센서 및 로서의 응용 heater

과 촉매로서의 활용도 활발하게 이루어지고 있다 박막온도센서로의 응용을 위해서

는 온도변화에 따른 저항 변화계수(Temperature Coefficient of Resistance TCR)

가 중요한데 규정값(38510-3 이상의 을 얻기 위해서는 백금의 두께가 ) TCR 1

이상이 되어야 한다고 알려져 있다 5) 그림 은 백금박막의 두께에 따른 의6 TCR

변화를 나타내는 그림이다 은 두께뿐만 아니라 백금 박막의 미세구조 불순물 TCR

기판의 열팽창 계수 등 여러 가지 요인에 의존한다 이러한 여러 변수 중 두께 및

미세구조 조절은 순도와 함께 최적의 온도 저항 계수를 위한 중요 변수로 작용하는

것으로 알려져 있다18-20)

그림 두께에 따른 온도저항계수의 변화 6 5)

실리콘 기판 위의 백금증착은 앞서 설명한 바와 같이 열팽창 계수의 차이 부착력

문제 등으로 원하는 을 얻기 어렵다 백금의 열팽창 계수는TCR 8910-6 로 경우degc

실리콘에(2610-6 비해 높은 값을 가지며 온도 에서 다음과 같은 저항체 길degC) T

이의 변화를 유발하게 된다

- 33 -

L(T)=L(o)(1+ (Tα t-To)

백금과 기판의 열팽창 계수 차이 온도 Tα

특히 기판의 열팽창 계수가 작으면 백금저항의 감소를 유발하게 되어 저하의 TCR

원인이 된다 따라서 기존 상용제품의 경우 대부분이 백금과 열팽창 계수 차이가

없고 부착력이 좋은 알루미나를 기판재료로 사용하고 있다 본 과제의 거대 입성장

된 백금박막은 이러한 열팽창 계수의 차이에서 오는 부의 효과를 미세구조의 조절

을 통해 극복하고자 하였다

에 영향을 미치는 접착증을 사용하지 않으면서 백금박막의 접착력 증진을 위TCR

한 방법은 기존의 이노스텍 특허 기술을 이용하여 증착할 수 있다36) 이 경우 백금

박막의 미세구조는 그림 과 같이 일반적인 구조의 백금박막을 얻을 수7 columnar

있다 그러나 이 경우 은 TCR 38010-3 정도로 온도센서로 사용가능한 규격 인

38010-3 에 크게 못 미침을 예비 실험을 통하여 알 수 있었다

그림 일반적인 백금박막의 미세구조를 나타내는 전자 현미경 사진 7

- 34 -

또한 승온과 냉각과정에서 같은 온도에서의 저항값이 서로 다른 특성을hysteresis

나타내었다 이는 온도의 상승에 따라 열팽창계수의 차이에 의한 응력이나 접착력

변화에서 기인되는 문제로 생각되었다 백금 박막의 미세구조를 단결정에 가깝게

제작할 수 있다면 입계면에서의 에 기인하는 저항변화 를 제거 할 수scatting factor

있다 본 과제에서는 이를 위하여 백금의 거대입성장 현상을 이용하여 두께 에 1

서 수 의 입자크기를 갖는 백금박막을 온도센서 소자로 사용하였다 거대입mm~cm

성장 박막의 증착 조건 등은 표 에 표시하였다6

- 35 -

거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

- 36 -

그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

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제 장 참고 문헌5

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제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 2000

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162-166 (1982)

9) Japan Patent No 58-130502(1983)

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12) M A Omar Elementary solid state physics Principles and Applications

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22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

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감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

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일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

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에서Matthiessens rule pi 는 과 전도전자의 충돌에 의한 저항율의 변화(T) phonon

를 나타내는 것이며 저항온도계의 온도 저항 특성을 결정하는 항이다 이론 Debye

에12) 의하면 pi 는 온도(T) Debye ( = hvθ max 를 기준으로 온도의존성이 다음과 같k)

이 나타나게 된다

pi(T) Tcong n for Tlt n = 5θ

pi(T) T for T gtθcong

표 에 여러 재료의 온도가 나타나 있다 온도 이상의 영역에서3 Debye Debye

에 의한 저항율의 온도의존성은 차 함수에 비례하는 것으로 생각할 수 있phonon 1

다 온도에 따라 저항율이 일정하기 위해서는 의 항이 온도 matthiessenrsquos rule p

의 존성이 없어야 하지만 실제로 Po = Po 값으로 온도의존성을 가지며+ (Tp)

여기에 영향을 미치는 인자는 크게 다음과 같이 나눌 수 있다18)

화학적 요인 조성 불순물 산화 기체의 흡수 등( )

물리적요인 격자결함 구조결함 공극 격자간원자 전위 적층결함 입계 등( )

기계적요인 외력 변형 변위 등( ) (stress) (strain)

온도센서 제조시 온도에 따른 의 제거가 소자의 정밀도 안정성 등을 결정하(Tp)

는 요인이 된다 조성의 경우 타켓의 순도에 의해 결정되므로 공정조절을 통해 조

절할 수는 없지만 가능하면 백금의 증착시에 기초 진공을 낮추어 주는 것이 좋다

(10-6 이하 표 는 불순물 농도에 따른 온도저항변화율을 나타내는 표이다Torr ) 4

표 불순물 농도에 따른 온도저항율 변화 4 18)

불순물 n(times10α -6)(ppm)

Ag 023

Rh 019

Si 027

Ru 018

Fe 078

Au 006

- 13 -

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적4

센서에 대한 연구 개발은 반도체 메모리 및 에너지 산업과 더불어 년대의 핵2000

심 첨단 산업의 하나로서 년대 이후 여러 분야에서 지속적으로 진행되어 오1980

고 있다 특히 초창기의 벌크 또는 후막식 센서에서 최근에는 고감도 및 대량 생산

이 용이한 박막형 센서에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다 박막형 센서는

박막의 특징인 소형화 및 정밀화가 가능하여 그 응용 범위가 제한이 없을 정도로

매우 유망한 분야이다 백금저항 온도센서는 그림 에 나타난 바와 같이 자동차 2

산업체 공정제어용 뿐만 아니라 백색가전 등 일상생활 전 분야에 폭넓게 이용되고

있으며 그 규모가 년 현재 전 세계적으로 약 억 달러에 이르렀으며 그 규모2002 10

가 성장하고 있는 매우 유망한 분야이다 특히 고성능 고정밀도를 갖는 백금박막

온도 센서 시장 규모의 증가는 써미스터나 써머커플의 시장 성장 속도에 비하여 매

무 높은 것으로 알려져 있다1-2)

그림 백금온도센서의 응용분야 2 15)

- 14 -

기존의 백금박막 온도센서 소자는 접착력 등의 문제로 알루미나 기판을 사용하여

제작되고 있다9-1115) 알루미나 기판 위에 원하는 금속박막을 증착한 후 일정한 저

항값을 얻기 위하여 금속박막을 레이저 트리밍 습식 식각 그리고 플라즈마 에칭과

같은 건식 식각을 통해 패턴을 형성하게 된다 알루미나 기판을 사용할 경우 증착

하는 금속박막의 두께가 마이크론 정도의 두께이므로 기판의 표면 거칠기를 정밀하

게 조절하기 위해 기판 표면 가공이 필요하게 된다 또한 표면 가공 후 금속박막의

부착력 증진을 위해 알루미나 기판 표면을 코로나 방전처리를 하기도 한다11) 이러

한 표면가공에는 많은 비용이 소요되어진다 금속박막의 패턴 형성을 위해 사용되

는 레이저 트리밍의 경우 레이저 가공에 의한 소자 열화 문제와 수율 등이 문제시

되며 감광막을 이용한 금속박막의 습식 식각에서는 식각의 진행 정도에 따라 용액

의 농도가 변화하여 식각 속도의 조절에 어려움이 있다 또한 금속 박막의 식각 속

도나 식각 양상에 따라 패턴 선폭이 제한되기도 한다 그림 은 레이저트리밍 이나 3

습식식각 공정을 통하여 제작된 백금 패턴을 보여주고 있다 식각 방법으로 패턴을

제작할 경우에는 가변저항을 만들어주어 패턴 형성 후에 저항을 조절하기도 한

다16) 건식 식각의 경우 비교적 정확하게 패턴을 형성할 수 있으나 금속에 따라서

는 식각된 금속 박막이 에칭 벽면에 달라붙어 정확한 패턴 형성에 어려움이 있으며

고가의 장비를 사용해야하는 단점이 있다17)

레이저 트리밍에 의한 패턴 형성(a)

식각 방법에 의한 패턴 형성(b)

그림 알루미나 기판을 사용한 상용센서의 패턴 형성 방법 3

- 15 -

기판을 사용할 경우 반도체 공정에 공정이 가능하고 가공 등이 용이하Si in-line

며 산화물 박막을 이용한 기능성 소자와 결합된 복합화 센서 를 제(hybride-sensor)

조할 수 있다는 장점을 가지고 있으나 박막과의 부착력이Pt AI2O3 기판에 비하여

크게 떨어지는 단점을 가지고 있다 SiO2 기판과 박막과의 부착력 증진을 위해pt

서는 산화물과 반응성이 좋은 등을 접착층으로 쓰거나Ti Cr 5) 고온 로 표 Plasma

면처리를 하는 방법이 사용되고 있으나 접착증의 사용은 백금박막의 온도선형 계수

를 저하시키고518) 시간에 따른 경시변화를 유발하며 고온 를 사용하는 경plasma

우에는 가격경쟁력과 수율에 문제가 있다

본 과제에서는 이노스텍이 보유하고 있는 기판 위에 백금증착기술과 미세패턴형Si

성 기술을 이용하여 실리콘 기판 위에 절연층을 형성하고 절연층을 식각한 후 금속

박막을 증착하여 패턴을 형성하는 것으로 다음과 같은 장점을 가지고 있다 기판으

로 기존의 알루미나 대신 실리콘 기판을 사용하여 온도센서로 사용할 경우 기판의

열전도가 커서 센서 소자의 응답특성을 향상시킬 수 있다 SiO2 절연층의 식각은

백금박막의 식각에 비하여 선폭 조절이 용이하고 균일도를 향상시킬 수 있으며 기

존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여 까지 선폭을sub-micron

조절할 수 있어 소자의 크기를 획기적으로 작게 할 수 있다 소자 크기의 감소는

응답특성 뿐만 아니라 생산단가를 낮출 수 있는 장점이 있다 또한 실리콘 기판을

사용할 경우 반도체 칩 내부에 온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시 반도체소자

오동작의 주요원인으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계 하여

해결할 수 있는 장점이 있다 또한 백금 박막이 식각된 Si02 표면 안쪽에 증착됨으

로써 후 공정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하여 내구성

을 증진시킬 수 있다

세계 최고의 반도체 단위 공정기술을 가지고 있는 한국에서 실리콘 기판을 사용 하

여 백금박막 온도센서를 제작할 수 있다면 기존 온도센서 시장으로의 진입 및 시

장 선도가 매우 유망 할 수 있다고 판단된다

- 16 -

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표5

최종목표(1) 반도체 공정기술을 이용한 백금박막 온도센서 양산기술 개발

실리콘 기판위에 표준저항 인 온도센서 개발Pt 100 Pt 500 Pt 1000

가 센서용 백금 박막의 증착 및 증착 공정의 최적화 RTD

두께에 따른 온도선형계수 변화(TCR) ㆍ

두께의 균일도는 이내1士ㆍ

미세구조 제어 입자크기에 따른 온도선형 계수 변화 특성( (TCR) )ㆍ

우선배향성에 따른 온도선형계수 변화 특성(TCR) ㆍ

비저항은 이하12 ㆍ μΩ

나 센서용 백금 박막선의 제작을 위한 미세회로 공정의 최적화 RTD

를 제외한 센서소자 크기Pad 22mmㆍ 2 이하

SiOㆍ 2 에칭을 통한 형성 선폭 최대 에서 최소 의 범위를 갖음pattern 100 3

설계된 의 형성에 따른 미세구조 제어patternㆍ

제작된 백금 박막선의 에서의 저항0degC (Rㆍ o 은 선폭 및 길이 또는 공정에 무관하)

게 최대 최소 임1000 100 Ω Ω

제작된 백금 박막선의 온도선형계수 값은 선폭 및 길이 또는 공정에 무관(TCR)ㆍ

하게 정확하게 38510-3 이상 이어야 함

다 소자 평가

및 규격에 따라 센서회로를 설계 제작함KS JIS ㆍ 19-20) 이들 규격에 의하면 제작된

백금 박막선 저항의 양끝에 개의 도선을 접속한 선식 한쪽 끝에 개 다른 한 끝1 2 2

에 개의 토선을 접속한 선식 및 양 끝에 개의 도선을 접속한 선식이 있음1 3 2 4

선식 및 선식은 도선의 저항 효과를 없애기 위한 방식이나 생산성의 저하 우려3 4ㆍ

가 있음 따라서 선식에 의한 회로 구성을 기본으로 선 및 선식을 병행함 2 3 4

선식의 경우 백금 박막선의 저항 값2 (Rㆍ RTD 에 대하여 도선의 저항 값을 충분히)

작게 하여 배 이하 도선의 온도 상승효과를 보상함(100 )

- 17 -

제작된 백금 박막선의 온도 변화에 따른 선형 저항 변화를 유지하기 위한 본딩ㆍ

패드와 도선 접합 저항의 최소화 접촉 저항은 미만( 01 )Ω

온도 구간에서 안정하게 저항 변화를 감지하는 회로 제작-200degC ~ 500degC ㆍ

고정점 에서의 온도 저항의triple point(0degC)- Indium melting point (15659degC)ㆍ

선형성 평가

- 18 -

제 장 기술개발 내용과 방법2

- 19 -

제 장 기술개발 내용과 방법2

제 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목1

표 개발 기술의 평가방법 및 평가항목 5

온도선형계수1

온도선형계수 는 온도센서의 성능을 구별하기 위해 특정온도 구간에서의 평균기(a)

울기로 정의되며 백금의 경우 사이에서의 평균기울기로 정의된다0-100degC 19-20)

DIN22) IEC23) 등 각국의 공업규격에서는 백금측온 저항체의 경우 값으로a

000385degC-1을 규정하고 있다

=(R(100)-R(0))100R(0)α

- 20 -

표준기급 백금저항온도계의 온도변환이나 공업용 저항온도계의 보정 시에는 저항의

절대 값보다 기준온도 에 대한 상대 저항비 가 중요하게 되며 상대 저항비(0degC) (W)

값으로 온도를 계산하게 된다 본 과제에서는 업계 최초로 실리콘 기판을 사용하여

공업규격에 맞는 온도선형성을 갖는 백금박막 온도센서를 개발하고자 하였다 현재

까지 국내에서 개발된 백금박막 온도센서의 경우 온도선형계수는 38510-3 미

만으로 알려져 있다24) 기판을 사용한 경우 층을 중간층으로 사용할 경우Si MgO

값이TCR 38510-3 이상 됨을 보고한 바 있으나 상용화 되거나 일반화 되지는

못하고 있다25))

표준저항2

현재까지 가장 많이 사용되고 있는 백금박막 온도센서으 에서의 표준저항은I 0

이다 이는 지금까지의 알루미나 기판에 과 같은 방법으로 제100 screen printingΩ

작되는 온도센서 제작기술로는 백금박막의 선폭을 하로 제작하기 어려워 소100 ol

자크기에 제한이 따르기 때문이다 최근 들어 사진식각공정이나 레이저 트리밍 기

술의 발전에 따라 선폭의 감소가 이루어져 의 표준저항을 갖는 소자500 1000Ω Ω

의 상용화가 시작되고 있다 표준저항이 클수록 온도 변화에 따른 저항변화가 커서

온도분해능이 증가하는 장점이 있다 본 과제에서는 실리콘 기판에 산화막을 형성

하고 산화막에칭을 통해 선폭을 조절하므로 선폭의 조절이 까지 가능sub-micron

하여 표준저항을 용이하게 증가시킬 수 있으나 선폭저하에 따른 물성저하 등을 고

려하여 본 과제에서는 우선 표준저항 을 목표로 패턴을 디자인 하였100 1000Ω Ω

다

선폭3

선폭은 크게 두가지 측면에서 중요한 인자가 된다 선폭이 감소하면 아래 식에서

저항값을 증가시킬 수 있어 표준저항을 높이거나 같은 표준저항에서 소자크기를 작

게 할 수 있다

R = p(LA) ----------(a)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

- 21 -

그러나 선폭이 너무 작아지면 박막의 두께에 의한 효과와 같이 비저항의 감소가 있

을 수 있다5) 본 과제에서는 선폭을 로 변화시켜 본 과제에서 개2 5 10 50

발된 백금박막 증착공정의 적용여부와 온도선형계수를 조사하였다

소자크기4

소자크기는 응답속도와 직접적인 관계를 갖는다 응답속도의 경우 온도센서의 분해

능 안정도 재현성 등과 더불어 온도센서를 평가하는 중요항목 중의 하나이다 일

반적으로 시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된632

다 온도센서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름

속도에 따라 달라지며 다음과 같은 식으로 알려져 있다 826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 열전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정 A

수 값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기뿐만 아니라 기판재료로 열전도가

알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므로 시정(25WmK) (148WmK)

수가 개선될 것으로 생각된다27)

온도안정성5

온도센서 특성중의 하나인 온도안정성은 의 국제규격에 따라 두 가지IEC751 type

으로 정의된다23)

Class A = (015+0002t)士

온도Class B = (030+0003t) t土

- 22 -

대부분의 박막타입의 경우 가 적용되고 있다 본 과제에서 적용된 백금 박class B

막의 경우 상온 증착 후 후열처리를 통해 백금의 입자크기가 의 크기를 갖mm~cm

는 단결정 입자로 구성되어 온도변화에 따른 특성이 매우 양호한hysteresis loop

특성을 가지고 있다 이러한 온도안정성에 영향을 미치는 요인으로는 흡착가스의

영향 백금입자의 입자성장 기판과의 열팽창 계수 차이에서 오는 응력 등이 주요

원인이 된다18) 상기평가항목의 평가 에 맞는 온도센서를 제작하기 위하여 증spec

착공정의 개발 패턴형성공정 개발 및 소자평가등 각각의 항목에 대한 세부내역은

제 절에 나타내었다2

- 23 -

제 절 백금박막 증착공정의 개발2

그림 는 본 과제에 사용된 기의 개략도를 나타내는 그림이다 진공시스4 sputtering

템은 와 로 구성되었으며rotary turbo pump 10-3 까지는 를 사Torr rotary pump

용하고 그 이후는 와 를 사용하여rotary turbo pump 3010-6 까지 반응실의Torr

진공을 유지 할 수 있도록 설계되었다 스퍼터 방식은 하향식이며 기판온도는 SiC

를 이용하여 까지 조절할 수 있다 균일한 증착을 위해 기판의 회전수heater 700

는 으로 조정가능하며 플라즈마 가스는 아르곤을 사용하였다 증착효율을1-20rpm

높이기 위해 타게트 뒷 부위에 영구자석을 설치한 방식을magnetron sputtering

채택하였다 가스압 조절을 위해 사의 사 MKS Baratron gauge Granville-phillips

의 를 사용하였으며 를 이용하여 가스의 유량을 조절vacuum gauge controller MFC

하였다 증착속도와 증착두께는 사의 Sycon Instruments STM-100MF

와 사의 을 이용하여 실측두께와 표시두께를thicknessrate monitor Tencor -stepα

보정하여 측정하였다

그림 본 과제에서 사용된 스퍼터링 시스템의 모식도4

- 24 -

일반적으로 스퍼터링에 사용되는 가스는 타게트 물질과의 반응을 방지하기 위하여

불활성 가스 를 사용한다 금속 타게트와 플라즈마 가스와의 반응을 이(Ar Kr Xe)

용한 에서는 반응가스로reactive sputtering O2를 첨가하기도 한다28) 본 연구에서

는 스퍼터링 가스로 아르곤과 아르곤 산소 가지를 사용하였으며 기판온도는 상온+ 2

으로 고정 시켰다 가스압은 증착 는 증착된 백금 1-22 mTorr power 100-250W

박막의 비저항은 를 이용하여 면저항을 측정한 후 을 이용하4 point probe -stepα

여 측정한 두께를 곱하여 구하였다 기판으로 사용된 실리콘 웨이퍼는 thermal

법으로 의oxidation 15 SiO 2 산화막이 증착된 이다P-type Si(100)

박막증착1

증착은 기판온도 가스압력 증착 뿐만 아니라 챔버의Sputtering power geometry

도 중요한 변수 중의 하나이다 예비 실험결과 아르곤만을 가지고 제작한 온도센서

는 기판과의 부착력이 나쁘고 온도선형성이나 온도저항계수 등 제반 사항이 온도센

서 제작에는 맞지 않은 것으로 판명되었다 또한 본 과제에서 기판과의 열팽창 계

수 차이에서 오는 온도저항계수의 저하를 백금미세구조 제어로 해결하고자 하였다

즉 백금박막의 거대입성장을 유도하여 거대입자로 구성된 온도센서를 제작하였다

거대입성장을 얻기 위한 공정은 기존의 실험결과를 바탕으로 다음과 같은 최적 조

건에서 박막을 증착하였다

표 온도센서 제작을 위한 백금박막의 최적 증착조건6

기판온도 가스비 아르곤 산소( ) 증착압력 증착power 비고

상온 1915(SCCM) 5 mTorr 170W

- 25 -

증착박막의 열처리2

증착된 박막의 열처리는 일반적인 전기로를 사용하였으며 공기중에서 600~1200

영역에서 한 시간 동안 열처리 하였다 열처리 조건에 따른 의 변화에 대한 많 TCR

은 보고가 있으나 본 실험에서는 한 시간으로 고정하였다24-2529) 이는 본 과제에

적용된 거대입성장 백금박막의 경우 시간에 따른 미세구조나 물성 차이를 보이지

않기 때문이었다 또한 백금증착시 산소를 점가하는 경우 백금산화물이 형성되거나

비저항 값이 증가하므로 열처리를 통해 증착 중 첨가된 산소를 박막외부로 확산시

켜야 한다 백금산화물의 경우 반도체 산화물로서 온도저항계수가 음의 값을 갖는

다2430-33) 이러한 산소의 탈착거동을 알아보기 위해 미소열량계를 이용하여 산소의

탈착거동을 관찰하였으며 소광계수의 변화 등을 관찰하였다 소광계수 측정을 위한

박막의 열처리는 진공분위기 에서 써머커플을 기판에 접촉시켜 측정하였(50 mTorr)

다

박막의 물성 측정3

두께 및 비저항 측정3-1

박막의 두께는 사의 을 이용하여 측정하였다 시편에 를 내Tencor -step scratchα

서 박막이 일부를 제거한 후 그 단차를 측정하여 두께를 측정한 후 4-point probe

로 측정한 면저항 값을 곱하여 비저항 값을 얻었다

미세구조 관찰3-2

박막의 입자크기는 이하이므로AS-depo 1000 TEM(Transmission ElectronÅ

관찰을 하였다 슬라이드에 시편을 붙이고 사포를 이용하여 이하Microscopy) 80

까지 연마한 후 하였다 한 시편을 직경 의 에 부착시dimpling dimpling 3 Cu grid

켜 을 하며 이 과정에서 입자충돌에 따른 국부적인 온도상승에 의한 박ion milling

막의 미세구조 변화를 막기 위해 액체질소를 이용하여 냉각하였다 열처리이후에는

를 이용하여 미세구조를 관찰하였다 거대입SEM(Scanning Electron Microscope)

성장의 관찰을 위해서는 광학현미경을 이용하여 입계를 관찰한 후 으로 보다SEM

자세한 입계면과 미세구조를 관찰하였다

결정성 분석3-3

박막의 결정성과 백금산화물의 상형성을 알아보기 위해 정도의 시편을 만1 x1

들어 사의 선 회절기로 을 얻었다 는MAC science X XRD pattern X-ray Cu Ka line

을 사용하였다( =15405 ) λ Å

- 26 -

첨가가스의 탈착 거동3-4

산소가스의 탈착 거동은 미세 열량분석계 와 를 이용하였다(DTA) ellipsometer DTA

는 반응생성물에 따라 계에 출입하는 미세 열량변화를 측정하여 계의 화학 반응온

도 등을 측정할 수 있는 측정 장비이다 는 특수한 광도계 Ellipsometer (

의 하나이며 빛의 편광상태의 변화를 측정하여 표면 및 박막의 구조와photometry)

물성 물질의 광특성 등을 연구하는데 사용되는 정밀 측정 기기이다

시료의 물성과 구조에 따라 반사 또는 투과광의 편광상태는 예민하게 변하므로 편

광상태 변화의 측정 및 분석을 통하여 시료의 물성과 구조에 대한 정보를 정밀하게

얻을 수 있어서 반도체 산업에서 산화막의 두께 및 두께 분포의 측정을 포함하여

박막 등의 분석에 널리 이용되고 있다

최근 반도체 광학재료의 제조 공정에 있어서 공정 제어를 위한 실시간 측정의 필

요성이 증대되고 있다 이에 따라 시료의 표면 상태와 박막의 구조 해석에 뛰어난

능력이 인정된 타원해석기를 이용하는 사례가 증가하고 있다

는 크게 나누어 와 단파장Ellipsometer spectroscopic ellipsometer(SE)

로 나눌 수 있는데 는 구조가 복잡하거나 물성이 알려져 있지 않은ellipsometer SE

시료의 기계적 두께 전자적 흡수단 구조 해석에 유리하지만 증착 에칭 열처리( ) ( )

표면반응 등의 공정 관측에는 거의 연속적인 데이터 획득이 유리한 단파장 타원해

석기가 널이 이용되고 있다 본 과제에서는 반사된 광원의 와 를 측정하 tan cosψ

여 굴절율 과 소광계수 값을 측정하였다(n) (k)

- 27 -

제 절 패턴 제작 공정의 개발3

일반적으로 금속의 저항은 다음의 식으로 표시된다

R = p(LA) -------------- (A)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 단면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

금속의 저항은 위와 같은 형태학적인 변수 외에 온도 등에도 의존하게 되는데 Pt

등의 경우 이러한 금속의 저항이 온도에 대해 선형적으로 증가하는 특Ni Cu W

성을 가지고 있다 이러한 온도저항 특성을 이용하여 주변의 온도를 감지하는 측온

저항체 온도센서로 많이 사용되고 있다 이러한 온도센서는 주변 온도에 대하여 다

음의 관계식을 갖는다

R(T) = R0 + TR0

온도 에서의 저항R(T) T Ro 기준점 에서의 저항 온도선형계수 측정온 (O ) T α

도

물질에 따라 온도선형계수 는 정해져 있으며 형태변수식 에 의한 금속의 저( ) (A)α

항 값이 높을수록 온도변화에 대한 저항변화 값이 증가하여 정확한 온도를 측정할

수 있다 소자의 경향에 따라 작은 크기의 미세소자로 원하는 기능을 輕薄短小化

얻고자 하는 것이 기술적인 경향이다 따라서 박막 기술을 이용한 금속 박막 온도

센서의 제작이 활발히 이루어지고 있으며 일부 제품의 경우 제품화되어 사용되고

있다 금속의 종류에 따라 특성을 나타내기 위한 최소의 박막 두께가 정해지 bulk

며 일정 두께 이하에서는 특성을 나타내지 못하게 된다 따라서 안정한 소자bulk

를 얻기 위해서는 일정 두께 이상의 박막두께가 필요하게 된다5) 백금저항소자의

경우 마이크로미터 이상의 두께가 필요한 것으로 알려져 있다 박막의 두께가10

일정할 때 저항 값의 조절은 패턴의 선폭에 의하여 조절되게 된다 이러한 선폭을

조절하기 위하여 기존에 사용되는 방법은 레이저트리밍 습식 식각 건식 식각 등의

방법이 사용된다 선폭의 조절이나 소자의 열화와 같은 문제가 발생할 수 있다

- 28 -

본 과제에서는 박막형 온도센서 제작에 있어 실리콘 기판위에 절연층의 식각을 통

해 원하는 패턴을 미리 형성하고 금속을 증착하여 온도센서를 제조함으로써 백금박

막의 저항조절을 용이하게 하고 소자의 내구성 향상과 소자크기를 소형화한 온도센

서를 제작하고자 하였다 그림 는 본 과제의 온도센서 제조공정을 나타내는 그림 5

이다 공정의 용이성에 따라 절연막 코팅을 패드보호막 형성 이후에 진행할 수도

있다

그림 당 과제에서 개발한 매립형 백금박막 온도센서 제조공정 모식도 5

- 29 -

제 절 소자 평가4

백금저항 온도센서의 여러 가지 물성 측정은 규정에 따른다KS C 1603-1991 19)

이에 따르면 온도특성 전기적 특성 기계적 특성에 대한 측정으로 크게 구별 될 수

있다 온도특성에는 온도에 대한 허용오차 안정도 자기 가열특성 등이 있으며 전

기적 특성에는 절연저항 내전압 등이 있고 기계적 특성으로는 내충격성과 내진동

성 등의 세부 항목들이 있으며 각각의 특성치를 시험하기 위한 방법이 규정되어 있

다

국제온도눈금 규격 에(ITS-1990 The International Temperature Scale of 1990)

의하면 평형수소의 삼중점 부터 은의 응고점 까지의 영역에서는(138033K) (96178)

에서 정의된 고정점들 사이를 내삽해 주는 기준함수 및 편차함수를 사용ITS-1990

하여 교정된 백금저항온도계에 의해 정의되도록 하고 있다 따라서 온도센서의 검

교정은 사용영역 내에서의 고정점들과 표준온도계의 온도저항 특성을 비교함으로써

얻을 수 있다 본 과제에서는 제작된 온도센서 및 상용센서의 평가를 위해 한국표

준과학연구원의 온도연구실에 있는 장비를 이용하였다 리드선의 저항오차를 최대

한 줄이기 위해 선 결선 방법을 택하였으며 리드선으로 직경 의 백금 선4 02 mm

을 사용하였다 물의 삼중점 주석의 녹는점 아연의 녹는점 등의 고정점 개와 항 3

온조를 이용한 50~ 도 사이의 온도 범위에서 측정점을 정하여 백금표준온도450

저항값과 제작된 온도센서의 저항값을 측정하여 온도선형계수 및 고온에서의 허용

오차 등을 측정하였다 측정조건은 를 사용하여 규정전류 HP 3458 multimeter 1mA

를 회로상에 흐르도록 구성한 뒤 저항값을 소수 째 자리까지 측정하여 유효 숫자4

는 소수 자리까지 사용하였다 일정한 온도를 얻기 위하여 사용되는 항온조는 온3

도영역에 따라 이하의 저온 영역은 알콜 영역에서는 에틸렌 글리0 0~100

콜 은 실리콘 오일을 사용하였으며 원하는 온도에 이른 후 평형을 100~200

위하여 분 이상 기다린 다음 표준저항기와 온도센서의 저항값을 각각 회씩 측30 3

정하여 평균값을 취하였다

- 30 -

에서는 저항기의 기준값으로 를 물의 삼중점 의 저ITS-1990 R (27316K=001 )

항 값으로 취하고 있다 정점의 실현은 녹는점 또는 어는점에서 잠열의 출입과 관

계없이 일정한 온도를 유지하는 특성을 이용한 것으로 녹는점 부근에서의 열량 조

절이 매우 중요하다 주석과 아연의 녹는점 실현을 위한 로는 석영관 내부에 주석

과 아연이 들어 있는 가 있고 표준저항기와 측정하고자 하는 온도센서thermal bath

가 들어가 있는 작은 석영관으로 이루어진 이중 구조로 되어있다 녹는점의 실현

을 위해서는 정밀한 저항 조절을 통한 온도제어가 필요하다 이를 위해 사용되는

기기로는 등이 사용되는데 이는current comparator resistance bridge 10-7 ohm

정도의 저항 조절이 가능한 장비이며 이를 온도로 환산하면 정도의 고정001mK

밀도를 가진다

- 31 -

제 장 기술개발결과3

- 32 -

제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금 박막의 필요성1

백금 박막은 백금 자체의 온도 저항 특성을 이용한 온도센서 및 로서의 응용 heater

과 촉매로서의 활용도 활발하게 이루어지고 있다 박막온도센서로의 응용을 위해서

는 온도변화에 따른 저항 변화계수(Temperature Coefficient of Resistance TCR)

가 중요한데 규정값(38510-3 이상의 을 얻기 위해서는 백금의 두께가 ) TCR 1

이상이 되어야 한다고 알려져 있다 5) 그림 은 백금박막의 두께에 따른 의6 TCR

변화를 나타내는 그림이다 은 두께뿐만 아니라 백금 박막의 미세구조 불순물 TCR

기판의 열팽창 계수 등 여러 가지 요인에 의존한다 이러한 여러 변수 중 두께 및

미세구조 조절은 순도와 함께 최적의 온도 저항 계수를 위한 중요 변수로 작용하는

것으로 알려져 있다18-20)

그림 두께에 따른 온도저항계수의 변화 6 5)

실리콘 기판 위의 백금증착은 앞서 설명한 바와 같이 열팽창 계수의 차이 부착력

문제 등으로 원하는 을 얻기 어렵다 백금의 열팽창 계수는TCR 8910-6 로 경우degc

실리콘에(2610-6 비해 높은 값을 가지며 온도 에서 다음과 같은 저항체 길degC) T

이의 변화를 유발하게 된다

- 33 -

L(T)=L(o)(1+ (Tα t-To)

백금과 기판의 열팽창 계수 차이 온도 Tα

특히 기판의 열팽창 계수가 작으면 백금저항의 감소를 유발하게 되어 저하의 TCR

원인이 된다 따라서 기존 상용제품의 경우 대부분이 백금과 열팽창 계수 차이가

없고 부착력이 좋은 알루미나를 기판재료로 사용하고 있다 본 과제의 거대 입성장

된 백금박막은 이러한 열팽창 계수의 차이에서 오는 부의 효과를 미세구조의 조절

을 통해 극복하고자 하였다

에 영향을 미치는 접착증을 사용하지 않으면서 백금박막의 접착력 증진을 위TCR

한 방법은 기존의 이노스텍 특허 기술을 이용하여 증착할 수 있다36) 이 경우 백금

박막의 미세구조는 그림 과 같이 일반적인 구조의 백금박막을 얻을 수7 columnar

있다 그러나 이 경우 은 TCR 38010-3 정도로 온도센서로 사용가능한 규격 인

38010-3 에 크게 못 미침을 예비 실험을 통하여 알 수 있었다

그림 일반적인 백금박막의 미세구조를 나타내는 전자 현미경 사진 7

- 34 -

또한 승온과 냉각과정에서 같은 온도에서의 저항값이 서로 다른 특성을hysteresis

나타내었다 이는 온도의 상승에 따라 열팽창계수의 차이에 의한 응력이나 접착력

변화에서 기인되는 문제로 생각되었다 백금 박막의 미세구조를 단결정에 가깝게

제작할 수 있다면 입계면에서의 에 기인하는 저항변화 를 제거 할 수scatting factor

있다 본 과제에서는 이를 위하여 백금의 거대입성장 현상을 이용하여 두께 에 1

서 수 의 입자크기를 갖는 백금박막을 온도센서 소자로 사용하였다 거대입mm~cm

성장 박막의 증착 조건 등은 표 에 표시하였다6

- 35 -

거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

- 36 -

그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 13 -

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적4

센서에 대한 연구 개발은 반도체 메모리 및 에너지 산업과 더불어 년대의 핵2000

심 첨단 산업의 하나로서 년대 이후 여러 분야에서 지속적으로 진행되어 오1980

고 있다 특히 초창기의 벌크 또는 후막식 센서에서 최근에는 고감도 및 대량 생산

이 용이한 박막형 센서에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다 박막형 센서는

박막의 특징인 소형화 및 정밀화가 가능하여 그 응용 범위가 제한이 없을 정도로

매우 유망한 분야이다 백금저항 온도센서는 그림 에 나타난 바와 같이 자동차 2

산업체 공정제어용 뿐만 아니라 백색가전 등 일상생활 전 분야에 폭넓게 이용되고

있으며 그 규모가 년 현재 전 세계적으로 약 억 달러에 이르렀으며 그 규모2002 10

가 성장하고 있는 매우 유망한 분야이다 특히 고성능 고정밀도를 갖는 백금박막

온도 센서 시장 규모의 증가는 써미스터나 써머커플의 시장 성장 속도에 비하여 매

무 높은 것으로 알려져 있다1-2)

그림 백금온도센서의 응용분야 2 15)

- 14 -

기존의 백금박막 온도센서 소자는 접착력 등의 문제로 알루미나 기판을 사용하여

제작되고 있다9-1115) 알루미나 기판 위에 원하는 금속박막을 증착한 후 일정한 저

항값을 얻기 위하여 금속박막을 레이저 트리밍 습식 식각 그리고 플라즈마 에칭과

같은 건식 식각을 통해 패턴을 형성하게 된다 알루미나 기판을 사용할 경우 증착

하는 금속박막의 두께가 마이크론 정도의 두께이므로 기판의 표면 거칠기를 정밀하

게 조절하기 위해 기판 표면 가공이 필요하게 된다 또한 표면 가공 후 금속박막의

부착력 증진을 위해 알루미나 기판 표면을 코로나 방전처리를 하기도 한다11) 이러

한 표면가공에는 많은 비용이 소요되어진다 금속박막의 패턴 형성을 위해 사용되

는 레이저 트리밍의 경우 레이저 가공에 의한 소자 열화 문제와 수율 등이 문제시

되며 감광막을 이용한 금속박막의 습식 식각에서는 식각의 진행 정도에 따라 용액

의 농도가 변화하여 식각 속도의 조절에 어려움이 있다 또한 금속 박막의 식각 속

도나 식각 양상에 따라 패턴 선폭이 제한되기도 한다 그림 은 레이저트리밍 이나 3

습식식각 공정을 통하여 제작된 백금 패턴을 보여주고 있다 식각 방법으로 패턴을

제작할 경우에는 가변저항을 만들어주어 패턴 형성 후에 저항을 조절하기도 한

다16) 건식 식각의 경우 비교적 정확하게 패턴을 형성할 수 있으나 금속에 따라서

는 식각된 금속 박막이 에칭 벽면에 달라붙어 정확한 패턴 형성에 어려움이 있으며

고가의 장비를 사용해야하는 단점이 있다17)

레이저 트리밍에 의한 패턴 형성(a)

식각 방법에 의한 패턴 형성(b)

그림 알루미나 기판을 사용한 상용센서의 패턴 형성 방법 3

- 15 -

기판을 사용할 경우 반도체 공정에 공정이 가능하고 가공 등이 용이하Si in-line

며 산화물 박막을 이용한 기능성 소자와 결합된 복합화 센서 를 제(hybride-sensor)

조할 수 있다는 장점을 가지고 있으나 박막과의 부착력이Pt AI2O3 기판에 비하여

크게 떨어지는 단점을 가지고 있다 SiO2 기판과 박막과의 부착력 증진을 위해pt

서는 산화물과 반응성이 좋은 등을 접착층으로 쓰거나Ti Cr 5) 고온 로 표 Plasma

면처리를 하는 방법이 사용되고 있으나 접착증의 사용은 백금박막의 온도선형 계수

를 저하시키고518) 시간에 따른 경시변화를 유발하며 고온 를 사용하는 경plasma

우에는 가격경쟁력과 수율에 문제가 있다

본 과제에서는 이노스텍이 보유하고 있는 기판 위에 백금증착기술과 미세패턴형Si

성 기술을 이용하여 실리콘 기판 위에 절연층을 형성하고 절연층을 식각한 후 금속

박막을 증착하여 패턴을 형성하는 것으로 다음과 같은 장점을 가지고 있다 기판으

로 기존의 알루미나 대신 실리콘 기판을 사용하여 온도센서로 사용할 경우 기판의

열전도가 커서 센서 소자의 응답특성을 향상시킬 수 있다 SiO2 절연층의 식각은

백금박막의 식각에 비하여 선폭 조절이 용이하고 균일도를 향상시킬 수 있으며 기

존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여 까지 선폭을sub-micron

조절할 수 있어 소자의 크기를 획기적으로 작게 할 수 있다 소자 크기의 감소는

응답특성 뿐만 아니라 생산단가를 낮출 수 있는 장점이 있다 또한 실리콘 기판을

사용할 경우 반도체 칩 내부에 온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시 반도체소자

오동작의 주요원인으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계 하여

해결할 수 있는 장점이 있다 또한 백금 박막이 식각된 Si02 표면 안쪽에 증착됨으

로써 후 공정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하여 내구성

을 증진시킬 수 있다

세계 최고의 반도체 단위 공정기술을 가지고 있는 한국에서 실리콘 기판을 사용 하

여 백금박막 온도센서를 제작할 수 있다면 기존 온도센서 시장으로의 진입 및 시

장 선도가 매우 유망 할 수 있다고 판단된다

- 16 -

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표5

최종목표(1) 반도체 공정기술을 이용한 백금박막 온도센서 양산기술 개발

실리콘 기판위에 표준저항 인 온도센서 개발Pt 100 Pt 500 Pt 1000

가 센서용 백금 박막의 증착 및 증착 공정의 최적화 RTD

두께에 따른 온도선형계수 변화(TCR) ㆍ

두께의 균일도는 이내1士ㆍ

미세구조 제어 입자크기에 따른 온도선형 계수 변화 특성( (TCR) )ㆍ

우선배향성에 따른 온도선형계수 변화 특성(TCR) ㆍ

비저항은 이하12 ㆍ μΩ

나 센서용 백금 박막선의 제작을 위한 미세회로 공정의 최적화 RTD

를 제외한 센서소자 크기Pad 22mmㆍ 2 이하

SiOㆍ 2 에칭을 통한 형성 선폭 최대 에서 최소 의 범위를 갖음pattern 100 3

설계된 의 형성에 따른 미세구조 제어patternㆍ

제작된 백금 박막선의 에서의 저항0degC (Rㆍ o 은 선폭 및 길이 또는 공정에 무관하)

게 최대 최소 임1000 100 Ω Ω

제작된 백금 박막선의 온도선형계수 값은 선폭 및 길이 또는 공정에 무관(TCR)ㆍ

하게 정확하게 38510-3 이상 이어야 함

다 소자 평가

및 규격에 따라 센서회로를 설계 제작함KS JIS ㆍ 19-20) 이들 규격에 의하면 제작된

백금 박막선 저항의 양끝에 개의 도선을 접속한 선식 한쪽 끝에 개 다른 한 끝1 2 2

에 개의 토선을 접속한 선식 및 양 끝에 개의 도선을 접속한 선식이 있음1 3 2 4

선식 및 선식은 도선의 저항 효과를 없애기 위한 방식이나 생산성의 저하 우려3 4ㆍ

가 있음 따라서 선식에 의한 회로 구성을 기본으로 선 및 선식을 병행함 2 3 4

선식의 경우 백금 박막선의 저항 값2 (Rㆍ RTD 에 대하여 도선의 저항 값을 충분히)

작게 하여 배 이하 도선의 온도 상승효과를 보상함(100 )

- 17 -

제작된 백금 박막선의 온도 변화에 따른 선형 저항 변화를 유지하기 위한 본딩ㆍ

패드와 도선 접합 저항의 최소화 접촉 저항은 미만( 01 )Ω

온도 구간에서 안정하게 저항 변화를 감지하는 회로 제작-200degC ~ 500degC ㆍ

고정점 에서의 온도 저항의triple point(0degC)- Indium melting point (15659degC)ㆍ

선형성 평가

- 18 -

제 장 기술개발 내용과 방법2

- 19 -

제 장 기술개발 내용과 방법2

제 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목1

표 개발 기술의 평가방법 및 평가항목 5

온도선형계수1

온도선형계수 는 온도센서의 성능을 구별하기 위해 특정온도 구간에서의 평균기(a)

울기로 정의되며 백금의 경우 사이에서의 평균기울기로 정의된다0-100degC 19-20)

DIN22) IEC23) 등 각국의 공업규격에서는 백금측온 저항체의 경우 값으로a

000385degC-1을 규정하고 있다

=(R(100)-R(0))100R(0)α

- 20 -

표준기급 백금저항온도계의 온도변환이나 공업용 저항온도계의 보정 시에는 저항의

절대 값보다 기준온도 에 대한 상대 저항비 가 중요하게 되며 상대 저항비(0degC) (W)

값으로 온도를 계산하게 된다 본 과제에서는 업계 최초로 실리콘 기판을 사용하여

공업규격에 맞는 온도선형성을 갖는 백금박막 온도센서를 개발하고자 하였다 현재

까지 국내에서 개발된 백금박막 온도센서의 경우 온도선형계수는 38510-3 미

만으로 알려져 있다24) 기판을 사용한 경우 층을 중간층으로 사용할 경우Si MgO

값이TCR 38510-3 이상 됨을 보고한 바 있으나 상용화 되거나 일반화 되지는

못하고 있다25))

표준저항2

현재까지 가장 많이 사용되고 있는 백금박막 온도센서으 에서의 표준저항은I 0

이다 이는 지금까지의 알루미나 기판에 과 같은 방법으로 제100 screen printingΩ

작되는 온도센서 제작기술로는 백금박막의 선폭을 하로 제작하기 어려워 소100 ol

자크기에 제한이 따르기 때문이다 최근 들어 사진식각공정이나 레이저 트리밍 기

술의 발전에 따라 선폭의 감소가 이루어져 의 표준저항을 갖는 소자500 1000Ω Ω

의 상용화가 시작되고 있다 표준저항이 클수록 온도 변화에 따른 저항변화가 커서

온도분해능이 증가하는 장점이 있다 본 과제에서는 실리콘 기판에 산화막을 형성

하고 산화막에칭을 통해 선폭을 조절하므로 선폭의 조절이 까지 가능sub-micron

하여 표준저항을 용이하게 증가시킬 수 있으나 선폭저하에 따른 물성저하 등을 고

려하여 본 과제에서는 우선 표준저항 을 목표로 패턴을 디자인 하였100 1000Ω Ω

다

선폭3

선폭은 크게 두가지 측면에서 중요한 인자가 된다 선폭이 감소하면 아래 식에서

저항값을 증가시킬 수 있어 표준저항을 높이거나 같은 표준저항에서 소자크기를 작

게 할 수 있다

R = p(LA) ----------(a)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

- 21 -

그러나 선폭이 너무 작아지면 박막의 두께에 의한 효과와 같이 비저항의 감소가 있

을 수 있다5) 본 과제에서는 선폭을 로 변화시켜 본 과제에서 개2 5 10 50

발된 백금박막 증착공정의 적용여부와 온도선형계수를 조사하였다

소자크기4

소자크기는 응답속도와 직접적인 관계를 갖는다 응답속도의 경우 온도센서의 분해

능 안정도 재현성 등과 더불어 온도센서를 평가하는 중요항목 중의 하나이다 일

반적으로 시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된632

다 온도센서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름

속도에 따라 달라지며 다음과 같은 식으로 알려져 있다 826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 열전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정 A

수 값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기뿐만 아니라 기판재료로 열전도가

알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므로 시정(25WmK) (148WmK)

수가 개선될 것으로 생각된다27)

온도안정성5

온도센서 특성중의 하나인 온도안정성은 의 국제규격에 따라 두 가지IEC751 type

으로 정의된다23)

Class A = (015+0002t)士

온도Class B = (030+0003t) t土

- 22 -

대부분의 박막타입의 경우 가 적용되고 있다 본 과제에서 적용된 백금 박class B

막의 경우 상온 증착 후 후열처리를 통해 백금의 입자크기가 의 크기를 갖mm~cm

는 단결정 입자로 구성되어 온도변화에 따른 특성이 매우 양호한hysteresis loop

특성을 가지고 있다 이러한 온도안정성에 영향을 미치는 요인으로는 흡착가스의

영향 백금입자의 입자성장 기판과의 열팽창 계수 차이에서 오는 응력 등이 주요

원인이 된다18) 상기평가항목의 평가 에 맞는 온도센서를 제작하기 위하여 증spec

착공정의 개발 패턴형성공정 개발 및 소자평가등 각각의 항목에 대한 세부내역은

제 절에 나타내었다2

- 23 -

제 절 백금박막 증착공정의 개발2

그림 는 본 과제에 사용된 기의 개략도를 나타내는 그림이다 진공시스4 sputtering

템은 와 로 구성되었으며rotary turbo pump 10-3 까지는 를 사Torr rotary pump

용하고 그 이후는 와 를 사용하여rotary turbo pump 3010-6 까지 반응실의Torr

진공을 유지 할 수 있도록 설계되었다 스퍼터 방식은 하향식이며 기판온도는 SiC

를 이용하여 까지 조절할 수 있다 균일한 증착을 위해 기판의 회전수heater 700

는 으로 조정가능하며 플라즈마 가스는 아르곤을 사용하였다 증착효율을1-20rpm

높이기 위해 타게트 뒷 부위에 영구자석을 설치한 방식을magnetron sputtering

채택하였다 가스압 조절을 위해 사의 사 MKS Baratron gauge Granville-phillips

의 를 사용하였으며 를 이용하여 가스의 유량을 조절vacuum gauge controller MFC

하였다 증착속도와 증착두께는 사의 Sycon Instruments STM-100MF

와 사의 을 이용하여 실측두께와 표시두께를thicknessrate monitor Tencor -stepα

보정하여 측정하였다

그림 본 과제에서 사용된 스퍼터링 시스템의 모식도4

- 24 -

일반적으로 스퍼터링에 사용되는 가스는 타게트 물질과의 반응을 방지하기 위하여

불활성 가스 를 사용한다 금속 타게트와 플라즈마 가스와의 반응을 이(Ar Kr Xe)

용한 에서는 반응가스로reactive sputtering O2를 첨가하기도 한다28) 본 연구에서

는 스퍼터링 가스로 아르곤과 아르곤 산소 가지를 사용하였으며 기판온도는 상온+ 2

으로 고정 시켰다 가스압은 증착 는 증착된 백금 1-22 mTorr power 100-250W

박막의 비저항은 를 이용하여 면저항을 측정한 후 을 이용하4 point probe -stepα

여 측정한 두께를 곱하여 구하였다 기판으로 사용된 실리콘 웨이퍼는 thermal

법으로 의oxidation 15 SiO 2 산화막이 증착된 이다P-type Si(100)

박막증착1

증착은 기판온도 가스압력 증착 뿐만 아니라 챔버의Sputtering power geometry

도 중요한 변수 중의 하나이다 예비 실험결과 아르곤만을 가지고 제작한 온도센서

는 기판과의 부착력이 나쁘고 온도선형성이나 온도저항계수 등 제반 사항이 온도센

서 제작에는 맞지 않은 것으로 판명되었다 또한 본 과제에서 기판과의 열팽창 계

수 차이에서 오는 온도저항계수의 저하를 백금미세구조 제어로 해결하고자 하였다

즉 백금박막의 거대입성장을 유도하여 거대입자로 구성된 온도센서를 제작하였다

거대입성장을 얻기 위한 공정은 기존의 실험결과를 바탕으로 다음과 같은 최적 조

건에서 박막을 증착하였다

표 온도센서 제작을 위한 백금박막의 최적 증착조건6

기판온도 가스비 아르곤 산소( ) 증착압력 증착power 비고

상온 1915(SCCM) 5 mTorr 170W

- 25 -

증착박막의 열처리2

증착된 박막의 열처리는 일반적인 전기로를 사용하였으며 공기중에서 600~1200

영역에서 한 시간 동안 열처리 하였다 열처리 조건에 따른 의 변화에 대한 많 TCR

은 보고가 있으나 본 실험에서는 한 시간으로 고정하였다24-2529) 이는 본 과제에

적용된 거대입성장 백금박막의 경우 시간에 따른 미세구조나 물성 차이를 보이지

않기 때문이었다 또한 백금증착시 산소를 점가하는 경우 백금산화물이 형성되거나

비저항 값이 증가하므로 열처리를 통해 증착 중 첨가된 산소를 박막외부로 확산시

켜야 한다 백금산화물의 경우 반도체 산화물로서 온도저항계수가 음의 값을 갖는

다2430-33) 이러한 산소의 탈착거동을 알아보기 위해 미소열량계를 이용하여 산소의

탈착거동을 관찰하였으며 소광계수의 변화 등을 관찰하였다 소광계수 측정을 위한

박막의 열처리는 진공분위기 에서 써머커플을 기판에 접촉시켜 측정하였(50 mTorr)

다

박막의 물성 측정3

두께 및 비저항 측정3-1

박막의 두께는 사의 을 이용하여 측정하였다 시편에 를 내Tencor -step scratchα

서 박막이 일부를 제거한 후 그 단차를 측정하여 두께를 측정한 후 4-point probe

로 측정한 면저항 값을 곱하여 비저항 값을 얻었다

미세구조 관찰3-2

박막의 입자크기는 이하이므로AS-depo 1000 TEM(Transmission ElectronÅ

관찰을 하였다 슬라이드에 시편을 붙이고 사포를 이용하여 이하Microscopy) 80

까지 연마한 후 하였다 한 시편을 직경 의 에 부착시dimpling dimpling 3 Cu grid

켜 을 하며 이 과정에서 입자충돌에 따른 국부적인 온도상승에 의한 박ion milling

막의 미세구조 변화를 막기 위해 액체질소를 이용하여 냉각하였다 열처리이후에는

를 이용하여 미세구조를 관찰하였다 거대입SEM(Scanning Electron Microscope)

성장의 관찰을 위해서는 광학현미경을 이용하여 입계를 관찰한 후 으로 보다SEM

자세한 입계면과 미세구조를 관찰하였다

결정성 분석3-3

박막의 결정성과 백금산화물의 상형성을 알아보기 위해 정도의 시편을 만1 x1

들어 사의 선 회절기로 을 얻었다 는MAC science X XRD pattern X-ray Cu Ka line

을 사용하였다( =15405 ) λ Å

- 26 -

첨가가스의 탈착 거동3-4

산소가스의 탈착 거동은 미세 열량분석계 와 를 이용하였다(DTA) ellipsometer DTA

는 반응생성물에 따라 계에 출입하는 미세 열량변화를 측정하여 계의 화학 반응온

도 등을 측정할 수 있는 측정 장비이다 는 특수한 광도계 Ellipsometer (

의 하나이며 빛의 편광상태의 변화를 측정하여 표면 및 박막의 구조와photometry)

물성 물질의 광특성 등을 연구하는데 사용되는 정밀 측정 기기이다

시료의 물성과 구조에 따라 반사 또는 투과광의 편광상태는 예민하게 변하므로 편

광상태 변화의 측정 및 분석을 통하여 시료의 물성과 구조에 대한 정보를 정밀하게

얻을 수 있어서 반도체 산업에서 산화막의 두께 및 두께 분포의 측정을 포함하여

박막 등의 분석에 널리 이용되고 있다

최근 반도체 광학재료의 제조 공정에 있어서 공정 제어를 위한 실시간 측정의 필

요성이 증대되고 있다 이에 따라 시료의 표면 상태와 박막의 구조 해석에 뛰어난

능력이 인정된 타원해석기를 이용하는 사례가 증가하고 있다

는 크게 나누어 와 단파장Ellipsometer spectroscopic ellipsometer(SE)

로 나눌 수 있는데 는 구조가 복잡하거나 물성이 알려져 있지 않은ellipsometer SE

시료의 기계적 두께 전자적 흡수단 구조 해석에 유리하지만 증착 에칭 열처리( ) ( )

표면반응 등의 공정 관측에는 거의 연속적인 데이터 획득이 유리한 단파장 타원해

석기가 널이 이용되고 있다 본 과제에서는 반사된 광원의 와 를 측정하 tan cosψ

여 굴절율 과 소광계수 값을 측정하였다(n) (k)

- 27 -

제 절 패턴 제작 공정의 개발3

일반적으로 금속의 저항은 다음의 식으로 표시된다

R = p(LA) -------------- (A)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 단면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

금속의 저항은 위와 같은 형태학적인 변수 외에 온도 등에도 의존하게 되는데 Pt

등의 경우 이러한 금속의 저항이 온도에 대해 선형적으로 증가하는 특Ni Cu W

성을 가지고 있다 이러한 온도저항 특성을 이용하여 주변의 온도를 감지하는 측온

저항체 온도센서로 많이 사용되고 있다 이러한 온도센서는 주변 온도에 대하여 다

음의 관계식을 갖는다

R(T) = R0 + TR0

온도 에서의 저항R(T) T Ro 기준점 에서의 저항 온도선형계수 측정온 (O ) T α

도

물질에 따라 온도선형계수 는 정해져 있으며 형태변수식 에 의한 금속의 저( ) (A)α

항 값이 높을수록 온도변화에 대한 저항변화 값이 증가하여 정확한 온도를 측정할

수 있다 소자의 경향에 따라 작은 크기의 미세소자로 원하는 기능을 輕薄短小化

얻고자 하는 것이 기술적인 경향이다 따라서 박막 기술을 이용한 금속 박막 온도

센서의 제작이 활발히 이루어지고 있으며 일부 제품의 경우 제품화되어 사용되고

있다 금속의 종류에 따라 특성을 나타내기 위한 최소의 박막 두께가 정해지 bulk

며 일정 두께 이하에서는 특성을 나타내지 못하게 된다 따라서 안정한 소자bulk

를 얻기 위해서는 일정 두께 이상의 박막두께가 필요하게 된다5) 백금저항소자의

경우 마이크로미터 이상의 두께가 필요한 것으로 알려져 있다 박막의 두께가10

일정할 때 저항 값의 조절은 패턴의 선폭에 의하여 조절되게 된다 이러한 선폭을

조절하기 위하여 기존에 사용되는 방법은 레이저트리밍 습식 식각 건식 식각 등의

방법이 사용된다 선폭의 조절이나 소자의 열화와 같은 문제가 발생할 수 있다

- 28 -

본 과제에서는 박막형 온도센서 제작에 있어 실리콘 기판위에 절연층의 식각을 통

해 원하는 패턴을 미리 형성하고 금속을 증착하여 온도센서를 제조함으로써 백금박

막의 저항조절을 용이하게 하고 소자의 내구성 향상과 소자크기를 소형화한 온도센

서를 제작하고자 하였다 그림 는 본 과제의 온도센서 제조공정을 나타내는 그림 5

이다 공정의 용이성에 따라 절연막 코팅을 패드보호막 형성 이후에 진행할 수도

있다

그림 당 과제에서 개발한 매립형 백금박막 온도센서 제조공정 모식도 5

- 29 -

제 절 소자 평가4

백금저항 온도센서의 여러 가지 물성 측정은 규정에 따른다KS C 1603-1991 19)

이에 따르면 온도특성 전기적 특성 기계적 특성에 대한 측정으로 크게 구별 될 수

있다 온도특성에는 온도에 대한 허용오차 안정도 자기 가열특성 등이 있으며 전

기적 특성에는 절연저항 내전압 등이 있고 기계적 특성으로는 내충격성과 내진동

성 등의 세부 항목들이 있으며 각각의 특성치를 시험하기 위한 방법이 규정되어 있

다

국제온도눈금 규격 에(ITS-1990 The International Temperature Scale of 1990)

의하면 평형수소의 삼중점 부터 은의 응고점 까지의 영역에서는(138033K) (96178)

에서 정의된 고정점들 사이를 내삽해 주는 기준함수 및 편차함수를 사용ITS-1990

하여 교정된 백금저항온도계에 의해 정의되도록 하고 있다 따라서 온도센서의 검

교정은 사용영역 내에서의 고정점들과 표준온도계의 온도저항 특성을 비교함으로써

얻을 수 있다 본 과제에서는 제작된 온도센서 및 상용센서의 평가를 위해 한국표

준과학연구원의 온도연구실에 있는 장비를 이용하였다 리드선의 저항오차를 최대

한 줄이기 위해 선 결선 방법을 택하였으며 리드선으로 직경 의 백금 선4 02 mm

을 사용하였다 물의 삼중점 주석의 녹는점 아연의 녹는점 등의 고정점 개와 항 3

온조를 이용한 50~ 도 사이의 온도 범위에서 측정점을 정하여 백금표준온도450

저항값과 제작된 온도센서의 저항값을 측정하여 온도선형계수 및 고온에서의 허용

오차 등을 측정하였다 측정조건은 를 사용하여 규정전류 HP 3458 multimeter 1mA

를 회로상에 흐르도록 구성한 뒤 저항값을 소수 째 자리까지 측정하여 유효 숫자4

는 소수 자리까지 사용하였다 일정한 온도를 얻기 위하여 사용되는 항온조는 온3

도영역에 따라 이하의 저온 영역은 알콜 영역에서는 에틸렌 글리0 0~100

콜 은 실리콘 오일을 사용하였으며 원하는 온도에 이른 후 평형을 100~200

위하여 분 이상 기다린 다음 표준저항기와 온도센서의 저항값을 각각 회씩 측30 3

정하여 평균값을 취하였다

- 30 -

에서는 저항기의 기준값으로 를 물의 삼중점 의 저ITS-1990 R (27316K=001 )

항 값으로 취하고 있다 정점의 실현은 녹는점 또는 어는점에서 잠열의 출입과 관

계없이 일정한 온도를 유지하는 특성을 이용한 것으로 녹는점 부근에서의 열량 조

절이 매우 중요하다 주석과 아연의 녹는점 실현을 위한 로는 석영관 내부에 주석

과 아연이 들어 있는 가 있고 표준저항기와 측정하고자 하는 온도센서thermal bath

가 들어가 있는 작은 석영관으로 이루어진 이중 구조로 되어있다 녹는점의 실현

을 위해서는 정밀한 저항 조절을 통한 온도제어가 필요하다 이를 위해 사용되는

기기로는 등이 사용되는데 이는current comparator resistance bridge 10-7 ohm

정도의 저항 조절이 가능한 장비이며 이를 온도로 환산하면 정도의 고정001mK

밀도를 가진다

- 31 -

제 장 기술개발결과3

- 32 -

제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금 박막의 필요성1

백금 박막은 백금 자체의 온도 저항 특성을 이용한 온도센서 및 로서의 응용 heater

과 촉매로서의 활용도 활발하게 이루어지고 있다 박막온도센서로의 응용을 위해서

는 온도변화에 따른 저항 변화계수(Temperature Coefficient of Resistance TCR)

가 중요한데 규정값(38510-3 이상의 을 얻기 위해서는 백금의 두께가 ) TCR 1

이상이 되어야 한다고 알려져 있다 5) 그림 은 백금박막의 두께에 따른 의6 TCR

변화를 나타내는 그림이다 은 두께뿐만 아니라 백금 박막의 미세구조 불순물 TCR

기판의 열팽창 계수 등 여러 가지 요인에 의존한다 이러한 여러 변수 중 두께 및

미세구조 조절은 순도와 함께 최적의 온도 저항 계수를 위한 중요 변수로 작용하는

것으로 알려져 있다18-20)

그림 두께에 따른 온도저항계수의 변화 6 5)

실리콘 기판 위의 백금증착은 앞서 설명한 바와 같이 열팽창 계수의 차이 부착력

문제 등으로 원하는 을 얻기 어렵다 백금의 열팽창 계수는TCR 8910-6 로 경우degc

실리콘에(2610-6 비해 높은 값을 가지며 온도 에서 다음과 같은 저항체 길degC) T

이의 변화를 유발하게 된다

- 33 -

L(T)=L(o)(1+ (Tα t-To)

백금과 기판의 열팽창 계수 차이 온도 Tα

특히 기판의 열팽창 계수가 작으면 백금저항의 감소를 유발하게 되어 저하의 TCR

원인이 된다 따라서 기존 상용제품의 경우 대부분이 백금과 열팽창 계수 차이가

없고 부착력이 좋은 알루미나를 기판재료로 사용하고 있다 본 과제의 거대 입성장

된 백금박막은 이러한 열팽창 계수의 차이에서 오는 부의 효과를 미세구조의 조절

을 통해 극복하고자 하였다

에 영향을 미치는 접착증을 사용하지 않으면서 백금박막의 접착력 증진을 위TCR

한 방법은 기존의 이노스텍 특허 기술을 이용하여 증착할 수 있다36) 이 경우 백금

박막의 미세구조는 그림 과 같이 일반적인 구조의 백금박막을 얻을 수7 columnar

있다 그러나 이 경우 은 TCR 38010-3 정도로 온도센서로 사용가능한 규격 인

38010-3 에 크게 못 미침을 예비 실험을 통하여 알 수 있었다

그림 일반적인 백금박막의 미세구조를 나타내는 전자 현미경 사진 7

- 34 -

또한 승온과 냉각과정에서 같은 온도에서의 저항값이 서로 다른 특성을hysteresis

나타내었다 이는 온도의 상승에 따라 열팽창계수의 차이에 의한 응력이나 접착력

변화에서 기인되는 문제로 생각되었다 백금 박막의 미세구조를 단결정에 가깝게

제작할 수 있다면 입계면에서의 에 기인하는 저항변화 를 제거 할 수scatting factor

있다 본 과제에서는 이를 위하여 백금의 거대입성장 현상을 이용하여 두께 에 1

서 수 의 입자크기를 갖는 백금박막을 온도센서 소자로 사용하였다 거대입mm~cm

성장 박막의 증착 조건 등은 표 에 표시하였다6

- 35 -

거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

- 36 -

그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

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기존의 백금박막 온도센서 소자는 접착력 등의 문제로 알루미나 기판을 사용하여

제작되고 있다9-1115) 알루미나 기판 위에 원하는 금속박막을 증착한 후 일정한 저

항값을 얻기 위하여 금속박막을 레이저 트리밍 습식 식각 그리고 플라즈마 에칭과

같은 건식 식각을 통해 패턴을 형성하게 된다 알루미나 기판을 사용할 경우 증착

하는 금속박막의 두께가 마이크론 정도의 두께이므로 기판의 표면 거칠기를 정밀하

게 조절하기 위해 기판 표면 가공이 필요하게 된다 또한 표면 가공 후 금속박막의

부착력 증진을 위해 알루미나 기판 표면을 코로나 방전처리를 하기도 한다11) 이러

한 표면가공에는 많은 비용이 소요되어진다 금속박막의 패턴 형성을 위해 사용되

는 레이저 트리밍의 경우 레이저 가공에 의한 소자 열화 문제와 수율 등이 문제시

되며 감광막을 이용한 금속박막의 습식 식각에서는 식각의 진행 정도에 따라 용액

의 농도가 변화하여 식각 속도의 조절에 어려움이 있다 또한 금속 박막의 식각 속

도나 식각 양상에 따라 패턴 선폭이 제한되기도 한다 그림 은 레이저트리밍 이나 3

습식식각 공정을 통하여 제작된 백금 패턴을 보여주고 있다 식각 방법으로 패턴을

제작할 경우에는 가변저항을 만들어주어 패턴 형성 후에 저항을 조절하기도 한

다16) 건식 식각의 경우 비교적 정확하게 패턴을 형성할 수 있으나 금속에 따라서

는 식각된 금속 박막이 에칭 벽면에 달라붙어 정확한 패턴 형성에 어려움이 있으며

고가의 장비를 사용해야하는 단점이 있다17)

레이저 트리밍에 의한 패턴 형성(a)

식각 방법에 의한 패턴 형성(b)

그림 알루미나 기판을 사용한 상용센서의 패턴 형성 방법 3

- 15 -

기판을 사용할 경우 반도체 공정에 공정이 가능하고 가공 등이 용이하Si in-line

며 산화물 박막을 이용한 기능성 소자와 결합된 복합화 센서 를 제(hybride-sensor)

조할 수 있다는 장점을 가지고 있으나 박막과의 부착력이Pt AI2O3 기판에 비하여

크게 떨어지는 단점을 가지고 있다 SiO2 기판과 박막과의 부착력 증진을 위해pt

서는 산화물과 반응성이 좋은 등을 접착층으로 쓰거나Ti Cr 5) 고온 로 표 Plasma

면처리를 하는 방법이 사용되고 있으나 접착증의 사용은 백금박막의 온도선형 계수

를 저하시키고518) 시간에 따른 경시변화를 유발하며 고온 를 사용하는 경plasma

우에는 가격경쟁력과 수율에 문제가 있다

본 과제에서는 이노스텍이 보유하고 있는 기판 위에 백금증착기술과 미세패턴형Si

성 기술을 이용하여 실리콘 기판 위에 절연층을 형성하고 절연층을 식각한 후 금속

박막을 증착하여 패턴을 형성하는 것으로 다음과 같은 장점을 가지고 있다 기판으

로 기존의 알루미나 대신 실리콘 기판을 사용하여 온도센서로 사용할 경우 기판의

열전도가 커서 센서 소자의 응답특성을 향상시킬 수 있다 SiO2 절연층의 식각은

백금박막의 식각에 비하여 선폭 조절이 용이하고 균일도를 향상시킬 수 있으며 기

존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여 까지 선폭을sub-micron

조절할 수 있어 소자의 크기를 획기적으로 작게 할 수 있다 소자 크기의 감소는

응답특성 뿐만 아니라 생산단가를 낮출 수 있는 장점이 있다 또한 실리콘 기판을

사용할 경우 반도체 칩 내부에 온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시 반도체소자

오동작의 주요원인으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계 하여

해결할 수 있는 장점이 있다 또한 백금 박막이 식각된 Si02 표면 안쪽에 증착됨으

로써 후 공정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하여 내구성

을 증진시킬 수 있다

세계 최고의 반도체 단위 공정기술을 가지고 있는 한국에서 실리콘 기판을 사용 하

여 백금박막 온도센서를 제작할 수 있다면 기존 온도센서 시장으로의 진입 및 시

장 선도가 매우 유망 할 수 있다고 판단된다

- 16 -

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표5

최종목표(1) 반도체 공정기술을 이용한 백금박막 온도센서 양산기술 개발

실리콘 기판위에 표준저항 인 온도센서 개발Pt 100 Pt 500 Pt 1000

가 센서용 백금 박막의 증착 및 증착 공정의 최적화 RTD

두께에 따른 온도선형계수 변화(TCR) ㆍ

두께의 균일도는 이내1士ㆍ

미세구조 제어 입자크기에 따른 온도선형 계수 변화 특성( (TCR) )ㆍ

우선배향성에 따른 온도선형계수 변화 특성(TCR) ㆍ

비저항은 이하12 ㆍ μΩ

나 센서용 백금 박막선의 제작을 위한 미세회로 공정의 최적화 RTD

를 제외한 센서소자 크기Pad 22mmㆍ 2 이하

SiOㆍ 2 에칭을 통한 형성 선폭 최대 에서 최소 의 범위를 갖음pattern 100 3

설계된 의 형성에 따른 미세구조 제어patternㆍ

제작된 백금 박막선의 에서의 저항0degC (Rㆍ o 은 선폭 및 길이 또는 공정에 무관하)

게 최대 최소 임1000 100 Ω Ω

제작된 백금 박막선의 온도선형계수 값은 선폭 및 길이 또는 공정에 무관(TCR)ㆍ

하게 정확하게 38510-3 이상 이어야 함

다 소자 평가

및 규격에 따라 센서회로를 설계 제작함KS JIS ㆍ 19-20) 이들 규격에 의하면 제작된

백금 박막선 저항의 양끝에 개의 도선을 접속한 선식 한쪽 끝에 개 다른 한 끝1 2 2

에 개의 토선을 접속한 선식 및 양 끝에 개의 도선을 접속한 선식이 있음1 3 2 4

선식 및 선식은 도선의 저항 효과를 없애기 위한 방식이나 생산성의 저하 우려3 4ㆍ

가 있음 따라서 선식에 의한 회로 구성을 기본으로 선 및 선식을 병행함 2 3 4

선식의 경우 백금 박막선의 저항 값2 (Rㆍ RTD 에 대하여 도선의 저항 값을 충분히)

작게 하여 배 이하 도선의 온도 상승효과를 보상함(100 )

- 17 -

제작된 백금 박막선의 온도 변화에 따른 선형 저항 변화를 유지하기 위한 본딩ㆍ

패드와 도선 접합 저항의 최소화 접촉 저항은 미만( 01 )Ω

온도 구간에서 안정하게 저항 변화를 감지하는 회로 제작-200degC ~ 500degC ㆍ

고정점 에서의 온도 저항의triple point(0degC)- Indium melting point (15659degC)ㆍ

선형성 평가

- 18 -

제 장 기술개발 내용과 방법2

- 19 -

제 장 기술개발 내용과 방법2

제 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목1

표 개발 기술의 평가방법 및 평가항목 5

온도선형계수1

온도선형계수 는 온도센서의 성능을 구별하기 위해 특정온도 구간에서의 평균기(a)

울기로 정의되며 백금의 경우 사이에서의 평균기울기로 정의된다0-100degC 19-20)

DIN22) IEC23) 등 각국의 공업규격에서는 백금측온 저항체의 경우 값으로a

000385degC-1을 규정하고 있다

=(R(100)-R(0))100R(0)α

- 20 -

표준기급 백금저항온도계의 온도변환이나 공업용 저항온도계의 보정 시에는 저항의

절대 값보다 기준온도 에 대한 상대 저항비 가 중요하게 되며 상대 저항비(0degC) (W)

값으로 온도를 계산하게 된다 본 과제에서는 업계 최초로 실리콘 기판을 사용하여

공업규격에 맞는 온도선형성을 갖는 백금박막 온도센서를 개발하고자 하였다 현재

까지 국내에서 개발된 백금박막 온도센서의 경우 온도선형계수는 38510-3 미

만으로 알려져 있다24) 기판을 사용한 경우 층을 중간층으로 사용할 경우Si MgO

값이TCR 38510-3 이상 됨을 보고한 바 있으나 상용화 되거나 일반화 되지는

못하고 있다25))

표준저항2

현재까지 가장 많이 사용되고 있는 백금박막 온도센서으 에서의 표준저항은I 0

이다 이는 지금까지의 알루미나 기판에 과 같은 방법으로 제100 screen printingΩ

작되는 온도센서 제작기술로는 백금박막의 선폭을 하로 제작하기 어려워 소100 ol

자크기에 제한이 따르기 때문이다 최근 들어 사진식각공정이나 레이저 트리밍 기

술의 발전에 따라 선폭의 감소가 이루어져 의 표준저항을 갖는 소자500 1000Ω Ω

의 상용화가 시작되고 있다 표준저항이 클수록 온도 변화에 따른 저항변화가 커서

온도분해능이 증가하는 장점이 있다 본 과제에서는 실리콘 기판에 산화막을 형성

하고 산화막에칭을 통해 선폭을 조절하므로 선폭의 조절이 까지 가능sub-micron

하여 표준저항을 용이하게 증가시킬 수 있으나 선폭저하에 따른 물성저하 등을 고

려하여 본 과제에서는 우선 표준저항 을 목표로 패턴을 디자인 하였100 1000Ω Ω

다

선폭3

선폭은 크게 두가지 측면에서 중요한 인자가 된다 선폭이 감소하면 아래 식에서

저항값을 증가시킬 수 있어 표준저항을 높이거나 같은 표준저항에서 소자크기를 작

게 할 수 있다

R = p(LA) ----------(a)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

- 21 -

그러나 선폭이 너무 작아지면 박막의 두께에 의한 효과와 같이 비저항의 감소가 있

을 수 있다5) 본 과제에서는 선폭을 로 변화시켜 본 과제에서 개2 5 10 50

발된 백금박막 증착공정의 적용여부와 온도선형계수를 조사하였다

소자크기4

소자크기는 응답속도와 직접적인 관계를 갖는다 응답속도의 경우 온도센서의 분해

능 안정도 재현성 등과 더불어 온도센서를 평가하는 중요항목 중의 하나이다 일

반적으로 시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된632

다 온도센서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름

속도에 따라 달라지며 다음과 같은 식으로 알려져 있다 826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 열전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정 A

수 값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기뿐만 아니라 기판재료로 열전도가

알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므로 시정(25WmK) (148WmK)

수가 개선될 것으로 생각된다27)

온도안정성5

온도센서 특성중의 하나인 온도안정성은 의 국제규격에 따라 두 가지IEC751 type

으로 정의된다23)

Class A = (015+0002t)士

온도Class B = (030+0003t) t土

- 22 -

대부분의 박막타입의 경우 가 적용되고 있다 본 과제에서 적용된 백금 박class B

막의 경우 상온 증착 후 후열처리를 통해 백금의 입자크기가 의 크기를 갖mm~cm

는 단결정 입자로 구성되어 온도변화에 따른 특성이 매우 양호한hysteresis loop

특성을 가지고 있다 이러한 온도안정성에 영향을 미치는 요인으로는 흡착가스의

영향 백금입자의 입자성장 기판과의 열팽창 계수 차이에서 오는 응력 등이 주요

원인이 된다18) 상기평가항목의 평가 에 맞는 온도센서를 제작하기 위하여 증spec

착공정의 개발 패턴형성공정 개발 및 소자평가등 각각의 항목에 대한 세부내역은

제 절에 나타내었다2

- 23 -

제 절 백금박막 증착공정의 개발2

그림 는 본 과제에 사용된 기의 개략도를 나타내는 그림이다 진공시스4 sputtering

템은 와 로 구성되었으며rotary turbo pump 10-3 까지는 를 사Torr rotary pump

용하고 그 이후는 와 를 사용하여rotary turbo pump 3010-6 까지 반응실의Torr

진공을 유지 할 수 있도록 설계되었다 스퍼터 방식은 하향식이며 기판온도는 SiC

를 이용하여 까지 조절할 수 있다 균일한 증착을 위해 기판의 회전수heater 700

는 으로 조정가능하며 플라즈마 가스는 아르곤을 사용하였다 증착효율을1-20rpm

높이기 위해 타게트 뒷 부위에 영구자석을 설치한 방식을magnetron sputtering

채택하였다 가스압 조절을 위해 사의 사 MKS Baratron gauge Granville-phillips

의 를 사용하였으며 를 이용하여 가스의 유량을 조절vacuum gauge controller MFC

하였다 증착속도와 증착두께는 사의 Sycon Instruments STM-100MF

와 사의 을 이용하여 실측두께와 표시두께를thicknessrate monitor Tencor -stepα

보정하여 측정하였다

그림 본 과제에서 사용된 스퍼터링 시스템의 모식도4

- 24 -

일반적으로 스퍼터링에 사용되는 가스는 타게트 물질과의 반응을 방지하기 위하여

불활성 가스 를 사용한다 금속 타게트와 플라즈마 가스와의 반응을 이(Ar Kr Xe)

용한 에서는 반응가스로reactive sputtering O2를 첨가하기도 한다28) 본 연구에서

는 스퍼터링 가스로 아르곤과 아르곤 산소 가지를 사용하였으며 기판온도는 상온+ 2

으로 고정 시켰다 가스압은 증착 는 증착된 백금 1-22 mTorr power 100-250W

박막의 비저항은 를 이용하여 면저항을 측정한 후 을 이용하4 point probe -stepα

여 측정한 두께를 곱하여 구하였다 기판으로 사용된 실리콘 웨이퍼는 thermal

법으로 의oxidation 15 SiO 2 산화막이 증착된 이다P-type Si(100)

박막증착1

증착은 기판온도 가스압력 증착 뿐만 아니라 챔버의Sputtering power geometry

도 중요한 변수 중의 하나이다 예비 실험결과 아르곤만을 가지고 제작한 온도센서

는 기판과의 부착력이 나쁘고 온도선형성이나 온도저항계수 등 제반 사항이 온도센

서 제작에는 맞지 않은 것으로 판명되었다 또한 본 과제에서 기판과의 열팽창 계

수 차이에서 오는 온도저항계수의 저하를 백금미세구조 제어로 해결하고자 하였다

즉 백금박막의 거대입성장을 유도하여 거대입자로 구성된 온도센서를 제작하였다

거대입성장을 얻기 위한 공정은 기존의 실험결과를 바탕으로 다음과 같은 최적 조

건에서 박막을 증착하였다

표 온도센서 제작을 위한 백금박막의 최적 증착조건6

기판온도 가스비 아르곤 산소( ) 증착압력 증착power 비고

상온 1915(SCCM) 5 mTorr 170W

- 25 -

증착박막의 열처리2

증착된 박막의 열처리는 일반적인 전기로를 사용하였으며 공기중에서 600~1200

영역에서 한 시간 동안 열처리 하였다 열처리 조건에 따른 의 변화에 대한 많 TCR

은 보고가 있으나 본 실험에서는 한 시간으로 고정하였다24-2529) 이는 본 과제에

적용된 거대입성장 백금박막의 경우 시간에 따른 미세구조나 물성 차이를 보이지

않기 때문이었다 또한 백금증착시 산소를 점가하는 경우 백금산화물이 형성되거나

비저항 값이 증가하므로 열처리를 통해 증착 중 첨가된 산소를 박막외부로 확산시

켜야 한다 백금산화물의 경우 반도체 산화물로서 온도저항계수가 음의 값을 갖는

다2430-33) 이러한 산소의 탈착거동을 알아보기 위해 미소열량계를 이용하여 산소의

탈착거동을 관찰하였으며 소광계수의 변화 등을 관찰하였다 소광계수 측정을 위한

박막의 열처리는 진공분위기 에서 써머커플을 기판에 접촉시켜 측정하였(50 mTorr)

다

박막의 물성 측정3

두께 및 비저항 측정3-1

박막의 두께는 사의 을 이용하여 측정하였다 시편에 를 내Tencor -step scratchα

서 박막이 일부를 제거한 후 그 단차를 측정하여 두께를 측정한 후 4-point probe

로 측정한 면저항 값을 곱하여 비저항 값을 얻었다

미세구조 관찰3-2

박막의 입자크기는 이하이므로AS-depo 1000 TEM(Transmission ElectronÅ

관찰을 하였다 슬라이드에 시편을 붙이고 사포를 이용하여 이하Microscopy) 80

까지 연마한 후 하였다 한 시편을 직경 의 에 부착시dimpling dimpling 3 Cu grid

켜 을 하며 이 과정에서 입자충돌에 따른 국부적인 온도상승에 의한 박ion milling

막의 미세구조 변화를 막기 위해 액체질소를 이용하여 냉각하였다 열처리이후에는

를 이용하여 미세구조를 관찰하였다 거대입SEM(Scanning Electron Microscope)

성장의 관찰을 위해서는 광학현미경을 이용하여 입계를 관찰한 후 으로 보다SEM

자세한 입계면과 미세구조를 관찰하였다

결정성 분석3-3

박막의 결정성과 백금산화물의 상형성을 알아보기 위해 정도의 시편을 만1 x1

들어 사의 선 회절기로 을 얻었다 는MAC science X XRD pattern X-ray Cu Ka line

을 사용하였다( =15405 ) λ Å

- 26 -

첨가가스의 탈착 거동3-4

산소가스의 탈착 거동은 미세 열량분석계 와 를 이용하였다(DTA) ellipsometer DTA

는 반응생성물에 따라 계에 출입하는 미세 열량변화를 측정하여 계의 화학 반응온

도 등을 측정할 수 있는 측정 장비이다 는 특수한 광도계 Ellipsometer (

의 하나이며 빛의 편광상태의 변화를 측정하여 표면 및 박막의 구조와photometry)

물성 물질의 광특성 등을 연구하는데 사용되는 정밀 측정 기기이다

시료의 물성과 구조에 따라 반사 또는 투과광의 편광상태는 예민하게 변하므로 편

광상태 변화의 측정 및 분석을 통하여 시료의 물성과 구조에 대한 정보를 정밀하게

얻을 수 있어서 반도체 산업에서 산화막의 두께 및 두께 분포의 측정을 포함하여

박막 등의 분석에 널리 이용되고 있다

최근 반도체 광학재료의 제조 공정에 있어서 공정 제어를 위한 실시간 측정의 필

요성이 증대되고 있다 이에 따라 시료의 표면 상태와 박막의 구조 해석에 뛰어난

능력이 인정된 타원해석기를 이용하는 사례가 증가하고 있다

는 크게 나누어 와 단파장Ellipsometer spectroscopic ellipsometer(SE)

로 나눌 수 있는데 는 구조가 복잡하거나 물성이 알려져 있지 않은ellipsometer SE

시료의 기계적 두께 전자적 흡수단 구조 해석에 유리하지만 증착 에칭 열처리( ) ( )

표면반응 등의 공정 관측에는 거의 연속적인 데이터 획득이 유리한 단파장 타원해

석기가 널이 이용되고 있다 본 과제에서는 반사된 광원의 와 를 측정하 tan cosψ

여 굴절율 과 소광계수 값을 측정하였다(n) (k)

- 27 -

제 절 패턴 제작 공정의 개발3

일반적으로 금속의 저항은 다음의 식으로 표시된다

R = p(LA) -------------- (A)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 단면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

금속의 저항은 위와 같은 형태학적인 변수 외에 온도 등에도 의존하게 되는데 Pt

등의 경우 이러한 금속의 저항이 온도에 대해 선형적으로 증가하는 특Ni Cu W

성을 가지고 있다 이러한 온도저항 특성을 이용하여 주변의 온도를 감지하는 측온

저항체 온도센서로 많이 사용되고 있다 이러한 온도센서는 주변 온도에 대하여 다

음의 관계식을 갖는다

R(T) = R0 + TR0

온도 에서의 저항R(T) T Ro 기준점 에서의 저항 온도선형계수 측정온 (O ) T α

도

물질에 따라 온도선형계수 는 정해져 있으며 형태변수식 에 의한 금속의 저( ) (A)α

항 값이 높을수록 온도변화에 대한 저항변화 값이 증가하여 정확한 온도를 측정할

수 있다 소자의 경향에 따라 작은 크기의 미세소자로 원하는 기능을 輕薄短小化

얻고자 하는 것이 기술적인 경향이다 따라서 박막 기술을 이용한 금속 박막 온도

센서의 제작이 활발히 이루어지고 있으며 일부 제품의 경우 제품화되어 사용되고

있다 금속의 종류에 따라 특성을 나타내기 위한 최소의 박막 두께가 정해지 bulk

며 일정 두께 이하에서는 특성을 나타내지 못하게 된다 따라서 안정한 소자bulk

를 얻기 위해서는 일정 두께 이상의 박막두께가 필요하게 된다5) 백금저항소자의

경우 마이크로미터 이상의 두께가 필요한 것으로 알려져 있다 박막의 두께가10

일정할 때 저항 값의 조절은 패턴의 선폭에 의하여 조절되게 된다 이러한 선폭을

조절하기 위하여 기존에 사용되는 방법은 레이저트리밍 습식 식각 건식 식각 등의

방법이 사용된다 선폭의 조절이나 소자의 열화와 같은 문제가 발생할 수 있다

- 28 -

본 과제에서는 박막형 온도센서 제작에 있어 실리콘 기판위에 절연층의 식각을 통

해 원하는 패턴을 미리 형성하고 금속을 증착하여 온도센서를 제조함으로써 백금박

막의 저항조절을 용이하게 하고 소자의 내구성 향상과 소자크기를 소형화한 온도센

서를 제작하고자 하였다 그림 는 본 과제의 온도센서 제조공정을 나타내는 그림 5

이다 공정의 용이성에 따라 절연막 코팅을 패드보호막 형성 이후에 진행할 수도

있다

그림 당 과제에서 개발한 매립형 백금박막 온도센서 제조공정 모식도 5

- 29 -

제 절 소자 평가4

백금저항 온도센서의 여러 가지 물성 측정은 규정에 따른다KS C 1603-1991 19)

이에 따르면 온도특성 전기적 특성 기계적 특성에 대한 측정으로 크게 구별 될 수

있다 온도특성에는 온도에 대한 허용오차 안정도 자기 가열특성 등이 있으며 전

기적 특성에는 절연저항 내전압 등이 있고 기계적 특성으로는 내충격성과 내진동

성 등의 세부 항목들이 있으며 각각의 특성치를 시험하기 위한 방법이 규정되어 있

다

국제온도눈금 규격 에(ITS-1990 The International Temperature Scale of 1990)

의하면 평형수소의 삼중점 부터 은의 응고점 까지의 영역에서는(138033K) (96178)

에서 정의된 고정점들 사이를 내삽해 주는 기준함수 및 편차함수를 사용ITS-1990

하여 교정된 백금저항온도계에 의해 정의되도록 하고 있다 따라서 온도센서의 검

교정은 사용영역 내에서의 고정점들과 표준온도계의 온도저항 특성을 비교함으로써

얻을 수 있다 본 과제에서는 제작된 온도센서 및 상용센서의 평가를 위해 한국표

준과학연구원의 온도연구실에 있는 장비를 이용하였다 리드선의 저항오차를 최대

한 줄이기 위해 선 결선 방법을 택하였으며 리드선으로 직경 의 백금 선4 02 mm

을 사용하였다 물의 삼중점 주석의 녹는점 아연의 녹는점 등의 고정점 개와 항 3

온조를 이용한 50~ 도 사이의 온도 범위에서 측정점을 정하여 백금표준온도450

저항값과 제작된 온도센서의 저항값을 측정하여 온도선형계수 및 고온에서의 허용

오차 등을 측정하였다 측정조건은 를 사용하여 규정전류 HP 3458 multimeter 1mA

를 회로상에 흐르도록 구성한 뒤 저항값을 소수 째 자리까지 측정하여 유효 숫자4

는 소수 자리까지 사용하였다 일정한 온도를 얻기 위하여 사용되는 항온조는 온3

도영역에 따라 이하의 저온 영역은 알콜 영역에서는 에틸렌 글리0 0~100

콜 은 실리콘 오일을 사용하였으며 원하는 온도에 이른 후 평형을 100~200

위하여 분 이상 기다린 다음 표준저항기와 온도센서의 저항값을 각각 회씩 측30 3

정하여 평균값을 취하였다

- 30 -

에서는 저항기의 기준값으로 를 물의 삼중점 의 저ITS-1990 R (27316K=001 )

항 값으로 취하고 있다 정점의 실현은 녹는점 또는 어는점에서 잠열의 출입과 관

계없이 일정한 온도를 유지하는 특성을 이용한 것으로 녹는점 부근에서의 열량 조

절이 매우 중요하다 주석과 아연의 녹는점 실현을 위한 로는 석영관 내부에 주석

과 아연이 들어 있는 가 있고 표준저항기와 측정하고자 하는 온도센서thermal bath

가 들어가 있는 작은 석영관으로 이루어진 이중 구조로 되어있다 녹는점의 실현

을 위해서는 정밀한 저항 조절을 통한 온도제어가 필요하다 이를 위해 사용되는

기기로는 등이 사용되는데 이는current comparator resistance bridge 10-7 ohm

정도의 저항 조절이 가능한 장비이며 이를 온도로 환산하면 정도의 고정001mK

밀도를 가진다

- 31 -

제 장 기술개발결과3

- 32 -

제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금 박막의 필요성1

백금 박막은 백금 자체의 온도 저항 특성을 이용한 온도센서 및 로서의 응용 heater

과 촉매로서의 활용도 활발하게 이루어지고 있다 박막온도센서로의 응용을 위해서

는 온도변화에 따른 저항 변화계수(Temperature Coefficient of Resistance TCR)

가 중요한데 규정값(38510-3 이상의 을 얻기 위해서는 백금의 두께가 ) TCR 1

이상이 되어야 한다고 알려져 있다 5) 그림 은 백금박막의 두께에 따른 의6 TCR

변화를 나타내는 그림이다 은 두께뿐만 아니라 백금 박막의 미세구조 불순물 TCR

기판의 열팽창 계수 등 여러 가지 요인에 의존한다 이러한 여러 변수 중 두께 및

미세구조 조절은 순도와 함께 최적의 온도 저항 계수를 위한 중요 변수로 작용하는

것으로 알려져 있다18-20)

그림 두께에 따른 온도저항계수의 변화 6 5)

실리콘 기판 위의 백금증착은 앞서 설명한 바와 같이 열팽창 계수의 차이 부착력

문제 등으로 원하는 을 얻기 어렵다 백금의 열팽창 계수는TCR 8910-6 로 경우degc

실리콘에(2610-6 비해 높은 값을 가지며 온도 에서 다음과 같은 저항체 길degC) T

이의 변화를 유발하게 된다

- 33 -

L(T)=L(o)(1+ (Tα t-To)

백금과 기판의 열팽창 계수 차이 온도 Tα

특히 기판의 열팽창 계수가 작으면 백금저항의 감소를 유발하게 되어 저하의 TCR

원인이 된다 따라서 기존 상용제품의 경우 대부분이 백금과 열팽창 계수 차이가

없고 부착력이 좋은 알루미나를 기판재료로 사용하고 있다 본 과제의 거대 입성장

된 백금박막은 이러한 열팽창 계수의 차이에서 오는 부의 효과를 미세구조의 조절

을 통해 극복하고자 하였다

에 영향을 미치는 접착증을 사용하지 않으면서 백금박막의 접착력 증진을 위TCR

한 방법은 기존의 이노스텍 특허 기술을 이용하여 증착할 수 있다36) 이 경우 백금

박막의 미세구조는 그림 과 같이 일반적인 구조의 백금박막을 얻을 수7 columnar

있다 그러나 이 경우 은 TCR 38010-3 정도로 온도센서로 사용가능한 규격 인

38010-3 에 크게 못 미침을 예비 실험을 통하여 알 수 있었다

그림 일반적인 백금박막의 미세구조를 나타내는 전자 현미경 사진 7

- 34 -

또한 승온과 냉각과정에서 같은 온도에서의 저항값이 서로 다른 특성을hysteresis

나타내었다 이는 온도의 상승에 따라 열팽창계수의 차이에 의한 응력이나 접착력

변화에서 기인되는 문제로 생각되었다 백금 박막의 미세구조를 단결정에 가깝게

제작할 수 있다면 입계면에서의 에 기인하는 저항변화 를 제거 할 수scatting factor

있다 본 과제에서는 이를 위하여 백금의 거대입성장 현상을 이용하여 두께 에 1

서 수 의 입자크기를 갖는 백금박막을 온도센서 소자로 사용하였다 거대입mm~cm

성장 박막의 증착 조건 등은 표 에 표시하였다6

- 35 -

거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

- 36 -

그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

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제 장 참고문헌5

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미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 15 -

기판을 사용할 경우 반도체 공정에 공정이 가능하고 가공 등이 용이하Si in-line

며 산화물 박막을 이용한 기능성 소자와 결합된 복합화 센서 를 제(hybride-sensor)

조할 수 있다는 장점을 가지고 있으나 박막과의 부착력이Pt AI2O3 기판에 비하여

크게 떨어지는 단점을 가지고 있다 SiO2 기판과 박막과의 부착력 증진을 위해pt

서는 산화물과 반응성이 좋은 등을 접착층으로 쓰거나Ti Cr 5) 고온 로 표 Plasma

면처리를 하는 방법이 사용되고 있으나 접착증의 사용은 백금박막의 온도선형 계수

를 저하시키고518) 시간에 따른 경시변화를 유발하며 고온 를 사용하는 경plasma

우에는 가격경쟁력과 수율에 문제가 있다

본 과제에서는 이노스텍이 보유하고 있는 기판 위에 백금증착기술과 미세패턴형Si

성 기술을 이용하여 실리콘 기판 위에 절연층을 형성하고 절연층을 식각한 후 금속

박막을 증착하여 패턴을 형성하는 것으로 다음과 같은 장점을 가지고 있다 기판으

로 기존의 알루미나 대신 실리콘 기판을 사용하여 온도센서로 사용할 경우 기판의

열전도가 커서 센서 소자의 응답특성을 향상시킬 수 있다 SiO2 절연층의 식각은

백금박막의 식각에 비하여 선폭 조절이 용이하고 균일도를 향상시킬 수 있으며 기

존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여 까지 선폭을sub-micron

조절할 수 있어 소자의 크기를 획기적으로 작게 할 수 있다 소자 크기의 감소는

응답특성 뿐만 아니라 생산단가를 낮출 수 있는 장점이 있다 또한 실리콘 기판을

사용할 경우 반도체 칩 내부에 온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시 반도체소자

오동작의 주요원인으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계 하여

해결할 수 있는 장점이 있다 또한 백금 박막이 식각된 Si02 표면 안쪽에 증착됨으

로써 후 공정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하여 내구성

을 증진시킬 수 있다

세계 최고의 반도체 단위 공정기술을 가지고 있는 한국에서 실리콘 기판을 사용 하

여 백금박막 온도센서를 제작할 수 있다면 기존 온도센서 시장으로의 진입 및 시

장 선도가 매우 유망 할 수 있다고 판단된다

- 16 -

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표5

최종목표(1) 반도체 공정기술을 이용한 백금박막 온도센서 양산기술 개발

실리콘 기판위에 표준저항 인 온도센서 개발Pt 100 Pt 500 Pt 1000

가 센서용 백금 박막의 증착 및 증착 공정의 최적화 RTD

두께에 따른 온도선형계수 변화(TCR) ㆍ

두께의 균일도는 이내1士ㆍ

미세구조 제어 입자크기에 따른 온도선형 계수 변화 특성( (TCR) )ㆍ

우선배향성에 따른 온도선형계수 변화 특성(TCR) ㆍ

비저항은 이하12 ㆍ μΩ

나 센서용 백금 박막선의 제작을 위한 미세회로 공정의 최적화 RTD

를 제외한 센서소자 크기Pad 22mmㆍ 2 이하

SiOㆍ 2 에칭을 통한 형성 선폭 최대 에서 최소 의 범위를 갖음pattern 100 3

설계된 의 형성에 따른 미세구조 제어patternㆍ

제작된 백금 박막선의 에서의 저항0degC (Rㆍ o 은 선폭 및 길이 또는 공정에 무관하)

게 최대 최소 임1000 100 Ω Ω

제작된 백금 박막선의 온도선형계수 값은 선폭 및 길이 또는 공정에 무관(TCR)ㆍ

하게 정확하게 38510-3 이상 이어야 함

다 소자 평가

및 규격에 따라 센서회로를 설계 제작함KS JIS ㆍ 19-20) 이들 규격에 의하면 제작된

백금 박막선 저항의 양끝에 개의 도선을 접속한 선식 한쪽 끝에 개 다른 한 끝1 2 2

에 개의 토선을 접속한 선식 및 양 끝에 개의 도선을 접속한 선식이 있음1 3 2 4

선식 및 선식은 도선의 저항 효과를 없애기 위한 방식이나 생산성의 저하 우려3 4ㆍ

가 있음 따라서 선식에 의한 회로 구성을 기본으로 선 및 선식을 병행함 2 3 4

선식의 경우 백금 박막선의 저항 값2 (Rㆍ RTD 에 대하여 도선의 저항 값을 충분히)

작게 하여 배 이하 도선의 온도 상승효과를 보상함(100 )

- 17 -

제작된 백금 박막선의 온도 변화에 따른 선형 저항 변화를 유지하기 위한 본딩ㆍ

패드와 도선 접합 저항의 최소화 접촉 저항은 미만( 01 )Ω

온도 구간에서 안정하게 저항 변화를 감지하는 회로 제작-200degC ~ 500degC ㆍ

고정점 에서의 온도 저항의triple point(0degC)- Indium melting point (15659degC)ㆍ

선형성 평가

- 18 -

제 장 기술개발 내용과 방법2

- 19 -

제 장 기술개발 내용과 방법2

제 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목1

표 개발 기술의 평가방법 및 평가항목 5

온도선형계수1

온도선형계수 는 온도센서의 성능을 구별하기 위해 특정온도 구간에서의 평균기(a)

울기로 정의되며 백금의 경우 사이에서의 평균기울기로 정의된다0-100degC 19-20)

DIN22) IEC23) 등 각국의 공업규격에서는 백금측온 저항체의 경우 값으로a

000385degC-1을 규정하고 있다

=(R(100)-R(0))100R(0)α

- 20 -

표준기급 백금저항온도계의 온도변환이나 공업용 저항온도계의 보정 시에는 저항의

절대 값보다 기준온도 에 대한 상대 저항비 가 중요하게 되며 상대 저항비(0degC) (W)

값으로 온도를 계산하게 된다 본 과제에서는 업계 최초로 실리콘 기판을 사용하여

공업규격에 맞는 온도선형성을 갖는 백금박막 온도센서를 개발하고자 하였다 현재

까지 국내에서 개발된 백금박막 온도센서의 경우 온도선형계수는 38510-3 미

만으로 알려져 있다24) 기판을 사용한 경우 층을 중간층으로 사용할 경우Si MgO

값이TCR 38510-3 이상 됨을 보고한 바 있으나 상용화 되거나 일반화 되지는

못하고 있다25))

표준저항2

현재까지 가장 많이 사용되고 있는 백금박막 온도센서으 에서의 표준저항은I 0

이다 이는 지금까지의 알루미나 기판에 과 같은 방법으로 제100 screen printingΩ

작되는 온도센서 제작기술로는 백금박막의 선폭을 하로 제작하기 어려워 소100 ol

자크기에 제한이 따르기 때문이다 최근 들어 사진식각공정이나 레이저 트리밍 기

술의 발전에 따라 선폭의 감소가 이루어져 의 표준저항을 갖는 소자500 1000Ω Ω

의 상용화가 시작되고 있다 표준저항이 클수록 온도 변화에 따른 저항변화가 커서

온도분해능이 증가하는 장점이 있다 본 과제에서는 실리콘 기판에 산화막을 형성

하고 산화막에칭을 통해 선폭을 조절하므로 선폭의 조절이 까지 가능sub-micron

하여 표준저항을 용이하게 증가시킬 수 있으나 선폭저하에 따른 물성저하 등을 고

려하여 본 과제에서는 우선 표준저항 을 목표로 패턴을 디자인 하였100 1000Ω Ω

다

선폭3

선폭은 크게 두가지 측면에서 중요한 인자가 된다 선폭이 감소하면 아래 식에서

저항값을 증가시킬 수 있어 표준저항을 높이거나 같은 표준저항에서 소자크기를 작

게 할 수 있다

R = p(LA) ----------(a)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

- 21 -

그러나 선폭이 너무 작아지면 박막의 두께에 의한 효과와 같이 비저항의 감소가 있

을 수 있다5) 본 과제에서는 선폭을 로 변화시켜 본 과제에서 개2 5 10 50

발된 백금박막 증착공정의 적용여부와 온도선형계수를 조사하였다

소자크기4

소자크기는 응답속도와 직접적인 관계를 갖는다 응답속도의 경우 온도센서의 분해

능 안정도 재현성 등과 더불어 온도센서를 평가하는 중요항목 중의 하나이다 일

반적으로 시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된632

다 온도센서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름

속도에 따라 달라지며 다음과 같은 식으로 알려져 있다 826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 열전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정 A

수 값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기뿐만 아니라 기판재료로 열전도가

알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므로 시정(25WmK) (148WmK)

수가 개선될 것으로 생각된다27)

온도안정성5

온도센서 특성중의 하나인 온도안정성은 의 국제규격에 따라 두 가지IEC751 type

으로 정의된다23)

Class A = (015+0002t)士

온도Class B = (030+0003t) t土

- 22 -

대부분의 박막타입의 경우 가 적용되고 있다 본 과제에서 적용된 백금 박class B

막의 경우 상온 증착 후 후열처리를 통해 백금의 입자크기가 의 크기를 갖mm~cm

는 단결정 입자로 구성되어 온도변화에 따른 특성이 매우 양호한hysteresis loop

특성을 가지고 있다 이러한 온도안정성에 영향을 미치는 요인으로는 흡착가스의

영향 백금입자의 입자성장 기판과의 열팽창 계수 차이에서 오는 응력 등이 주요

원인이 된다18) 상기평가항목의 평가 에 맞는 온도센서를 제작하기 위하여 증spec

착공정의 개발 패턴형성공정 개발 및 소자평가등 각각의 항목에 대한 세부내역은

제 절에 나타내었다2

- 23 -

제 절 백금박막 증착공정의 개발2

그림 는 본 과제에 사용된 기의 개략도를 나타내는 그림이다 진공시스4 sputtering

템은 와 로 구성되었으며rotary turbo pump 10-3 까지는 를 사Torr rotary pump

용하고 그 이후는 와 를 사용하여rotary turbo pump 3010-6 까지 반응실의Torr

진공을 유지 할 수 있도록 설계되었다 스퍼터 방식은 하향식이며 기판온도는 SiC

를 이용하여 까지 조절할 수 있다 균일한 증착을 위해 기판의 회전수heater 700

는 으로 조정가능하며 플라즈마 가스는 아르곤을 사용하였다 증착효율을1-20rpm

높이기 위해 타게트 뒷 부위에 영구자석을 설치한 방식을magnetron sputtering

채택하였다 가스압 조절을 위해 사의 사 MKS Baratron gauge Granville-phillips

의 를 사용하였으며 를 이용하여 가스의 유량을 조절vacuum gauge controller MFC

하였다 증착속도와 증착두께는 사의 Sycon Instruments STM-100MF

와 사의 을 이용하여 실측두께와 표시두께를thicknessrate monitor Tencor -stepα

보정하여 측정하였다

그림 본 과제에서 사용된 스퍼터링 시스템의 모식도4

- 24 -

일반적으로 스퍼터링에 사용되는 가스는 타게트 물질과의 반응을 방지하기 위하여

불활성 가스 를 사용한다 금속 타게트와 플라즈마 가스와의 반응을 이(Ar Kr Xe)

용한 에서는 반응가스로reactive sputtering O2를 첨가하기도 한다28) 본 연구에서

는 스퍼터링 가스로 아르곤과 아르곤 산소 가지를 사용하였으며 기판온도는 상온+ 2

으로 고정 시켰다 가스압은 증착 는 증착된 백금 1-22 mTorr power 100-250W

박막의 비저항은 를 이용하여 면저항을 측정한 후 을 이용하4 point probe -stepα

여 측정한 두께를 곱하여 구하였다 기판으로 사용된 실리콘 웨이퍼는 thermal

법으로 의oxidation 15 SiO 2 산화막이 증착된 이다P-type Si(100)

박막증착1

증착은 기판온도 가스압력 증착 뿐만 아니라 챔버의Sputtering power geometry

도 중요한 변수 중의 하나이다 예비 실험결과 아르곤만을 가지고 제작한 온도센서

는 기판과의 부착력이 나쁘고 온도선형성이나 온도저항계수 등 제반 사항이 온도센

서 제작에는 맞지 않은 것으로 판명되었다 또한 본 과제에서 기판과의 열팽창 계

수 차이에서 오는 온도저항계수의 저하를 백금미세구조 제어로 해결하고자 하였다

즉 백금박막의 거대입성장을 유도하여 거대입자로 구성된 온도센서를 제작하였다

거대입성장을 얻기 위한 공정은 기존의 실험결과를 바탕으로 다음과 같은 최적 조

건에서 박막을 증착하였다

표 온도센서 제작을 위한 백금박막의 최적 증착조건6

기판온도 가스비 아르곤 산소( ) 증착압력 증착power 비고

상온 1915(SCCM) 5 mTorr 170W

- 25 -

증착박막의 열처리2

증착된 박막의 열처리는 일반적인 전기로를 사용하였으며 공기중에서 600~1200

영역에서 한 시간 동안 열처리 하였다 열처리 조건에 따른 의 변화에 대한 많 TCR

은 보고가 있으나 본 실험에서는 한 시간으로 고정하였다24-2529) 이는 본 과제에

적용된 거대입성장 백금박막의 경우 시간에 따른 미세구조나 물성 차이를 보이지

않기 때문이었다 또한 백금증착시 산소를 점가하는 경우 백금산화물이 형성되거나

비저항 값이 증가하므로 열처리를 통해 증착 중 첨가된 산소를 박막외부로 확산시

켜야 한다 백금산화물의 경우 반도체 산화물로서 온도저항계수가 음의 값을 갖는

다2430-33) 이러한 산소의 탈착거동을 알아보기 위해 미소열량계를 이용하여 산소의

탈착거동을 관찰하였으며 소광계수의 변화 등을 관찰하였다 소광계수 측정을 위한

박막의 열처리는 진공분위기 에서 써머커플을 기판에 접촉시켜 측정하였(50 mTorr)

다

박막의 물성 측정3

두께 및 비저항 측정3-1

박막의 두께는 사의 을 이용하여 측정하였다 시편에 를 내Tencor -step scratchα

서 박막이 일부를 제거한 후 그 단차를 측정하여 두께를 측정한 후 4-point probe

로 측정한 면저항 값을 곱하여 비저항 값을 얻었다

미세구조 관찰3-2

박막의 입자크기는 이하이므로AS-depo 1000 TEM(Transmission ElectronÅ

관찰을 하였다 슬라이드에 시편을 붙이고 사포를 이용하여 이하Microscopy) 80

까지 연마한 후 하였다 한 시편을 직경 의 에 부착시dimpling dimpling 3 Cu grid

켜 을 하며 이 과정에서 입자충돌에 따른 국부적인 온도상승에 의한 박ion milling

막의 미세구조 변화를 막기 위해 액체질소를 이용하여 냉각하였다 열처리이후에는

를 이용하여 미세구조를 관찰하였다 거대입SEM(Scanning Electron Microscope)

성장의 관찰을 위해서는 광학현미경을 이용하여 입계를 관찰한 후 으로 보다SEM

자세한 입계면과 미세구조를 관찰하였다

결정성 분석3-3

박막의 결정성과 백금산화물의 상형성을 알아보기 위해 정도의 시편을 만1 x1

들어 사의 선 회절기로 을 얻었다 는MAC science X XRD pattern X-ray Cu Ka line

을 사용하였다( =15405 ) λ Å

- 26 -

첨가가스의 탈착 거동3-4

산소가스의 탈착 거동은 미세 열량분석계 와 를 이용하였다(DTA) ellipsometer DTA

는 반응생성물에 따라 계에 출입하는 미세 열량변화를 측정하여 계의 화학 반응온

도 등을 측정할 수 있는 측정 장비이다 는 특수한 광도계 Ellipsometer (

의 하나이며 빛의 편광상태의 변화를 측정하여 표면 및 박막의 구조와photometry)

물성 물질의 광특성 등을 연구하는데 사용되는 정밀 측정 기기이다

시료의 물성과 구조에 따라 반사 또는 투과광의 편광상태는 예민하게 변하므로 편

광상태 변화의 측정 및 분석을 통하여 시료의 물성과 구조에 대한 정보를 정밀하게

얻을 수 있어서 반도체 산업에서 산화막의 두께 및 두께 분포의 측정을 포함하여

박막 등의 분석에 널리 이용되고 있다

최근 반도체 광학재료의 제조 공정에 있어서 공정 제어를 위한 실시간 측정의 필

요성이 증대되고 있다 이에 따라 시료의 표면 상태와 박막의 구조 해석에 뛰어난

능력이 인정된 타원해석기를 이용하는 사례가 증가하고 있다

는 크게 나누어 와 단파장Ellipsometer spectroscopic ellipsometer(SE)

로 나눌 수 있는데 는 구조가 복잡하거나 물성이 알려져 있지 않은ellipsometer SE

시료의 기계적 두께 전자적 흡수단 구조 해석에 유리하지만 증착 에칭 열처리( ) ( )

표면반응 등의 공정 관측에는 거의 연속적인 데이터 획득이 유리한 단파장 타원해

석기가 널이 이용되고 있다 본 과제에서는 반사된 광원의 와 를 측정하 tan cosψ

여 굴절율 과 소광계수 값을 측정하였다(n) (k)

- 27 -

제 절 패턴 제작 공정의 개발3

일반적으로 금속의 저항은 다음의 식으로 표시된다

R = p(LA) -------------- (A)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 단면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

금속의 저항은 위와 같은 형태학적인 변수 외에 온도 등에도 의존하게 되는데 Pt

등의 경우 이러한 금속의 저항이 온도에 대해 선형적으로 증가하는 특Ni Cu W

성을 가지고 있다 이러한 온도저항 특성을 이용하여 주변의 온도를 감지하는 측온

저항체 온도센서로 많이 사용되고 있다 이러한 온도센서는 주변 온도에 대하여 다

음의 관계식을 갖는다

R(T) = R0 + TR0

온도 에서의 저항R(T) T Ro 기준점 에서의 저항 온도선형계수 측정온 (O ) T α

도

물질에 따라 온도선형계수 는 정해져 있으며 형태변수식 에 의한 금속의 저( ) (A)α

항 값이 높을수록 온도변화에 대한 저항변화 값이 증가하여 정확한 온도를 측정할

수 있다 소자의 경향에 따라 작은 크기의 미세소자로 원하는 기능을 輕薄短小化

얻고자 하는 것이 기술적인 경향이다 따라서 박막 기술을 이용한 금속 박막 온도

센서의 제작이 활발히 이루어지고 있으며 일부 제품의 경우 제품화되어 사용되고

있다 금속의 종류에 따라 특성을 나타내기 위한 최소의 박막 두께가 정해지 bulk

며 일정 두께 이하에서는 특성을 나타내지 못하게 된다 따라서 안정한 소자bulk

를 얻기 위해서는 일정 두께 이상의 박막두께가 필요하게 된다5) 백금저항소자의

경우 마이크로미터 이상의 두께가 필요한 것으로 알려져 있다 박막의 두께가10

일정할 때 저항 값의 조절은 패턴의 선폭에 의하여 조절되게 된다 이러한 선폭을

조절하기 위하여 기존에 사용되는 방법은 레이저트리밍 습식 식각 건식 식각 등의

방법이 사용된다 선폭의 조절이나 소자의 열화와 같은 문제가 발생할 수 있다

- 28 -

본 과제에서는 박막형 온도센서 제작에 있어 실리콘 기판위에 절연층의 식각을 통

해 원하는 패턴을 미리 형성하고 금속을 증착하여 온도센서를 제조함으로써 백금박

막의 저항조절을 용이하게 하고 소자의 내구성 향상과 소자크기를 소형화한 온도센

서를 제작하고자 하였다 그림 는 본 과제의 온도센서 제조공정을 나타내는 그림 5

이다 공정의 용이성에 따라 절연막 코팅을 패드보호막 형성 이후에 진행할 수도

있다

그림 당 과제에서 개발한 매립형 백금박막 온도센서 제조공정 모식도 5

- 29 -

제 절 소자 평가4

백금저항 온도센서의 여러 가지 물성 측정은 규정에 따른다KS C 1603-1991 19)

이에 따르면 온도특성 전기적 특성 기계적 특성에 대한 측정으로 크게 구별 될 수

있다 온도특성에는 온도에 대한 허용오차 안정도 자기 가열특성 등이 있으며 전

기적 특성에는 절연저항 내전압 등이 있고 기계적 특성으로는 내충격성과 내진동

성 등의 세부 항목들이 있으며 각각의 특성치를 시험하기 위한 방법이 규정되어 있

다

국제온도눈금 규격 에(ITS-1990 The International Temperature Scale of 1990)

의하면 평형수소의 삼중점 부터 은의 응고점 까지의 영역에서는(138033K) (96178)

에서 정의된 고정점들 사이를 내삽해 주는 기준함수 및 편차함수를 사용ITS-1990

하여 교정된 백금저항온도계에 의해 정의되도록 하고 있다 따라서 온도센서의 검

교정은 사용영역 내에서의 고정점들과 표준온도계의 온도저항 특성을 비교함으로써

얻을 수 있다 본 과제에서는 제작된 온도센서 및 상용센서의 평가를 위해 한국표

준과학연구원의 온도연구실에 있는 장비를 이용하였다 리드선의 저항오차를 최대

한 줄이기 위해 선 결선 방법을 택하였으며 리드선으로 직경 의 백금 선4 02 mm

을 사용하였다 물의 삼중점 주석의 녹는점 아연의 녹는점 등의 고정점 개와 항 3

온조를 이용한 50~ 도 사이의 온도 범위에서 측정점을 정하여 백금표준온도450

저항값과 제작된 온도센서의 저항값을 측정하여 온도선형계수 및 고온에서의 허용

오차 등을 측정하였다 측정조건은 를 사용하여 규정전류 HP 3458 multimeter 1mA

를 회로상에 흐르도록 구성한 뒤 저항값을 소수 째 자리까지 측정하여 유효 숫자4

는 소수 자리까지 사용하였다 일정한 온도를 얻기 위하여 사용되는 항온조는 온3

도영역에 따라 이하의 저온 영역은 알콜 영역에서는 에틸렌 글리0 0~100

콜 은 실리콘 오일을 사용하였으며 원하는 온도에 이른 후 평형을 100~200

위하여 분 이상 기다린 다음 표준저항기와 온도센서의 저항값을 각각 회씩 측30 3

정하여 평균값을 취하였다

- 30 -

에서는 저항기의 기준값으로 를 물의 삼중점 의 저ITS-1990 R (27316K=001 )

항 값으로 취하고 있다 정점의 실현은 녹는점 또는 어는점에서 잠열의 출입과 관

계없이 일정한 온도를 유지하는 특성을 이용한 것으로 녹는점 부근에서의 열량 조

절이 매우 중요하다 주석과 아연의 녹는점 실현을 위한 로는 석영관 내부에 주석

과 아연이 들어 있는 가 있고 표준저항기와 측정하고자 하는 온도센서thermal bath

가 들어가 있는 작은 석영관으로 이루어진 이중 구조로 되어있다 녹는점의 실현

을 위해서는 정밀한 저항 조절을 통한 온도제어가 필요하다 이를 위해 사용되는

기기로는 등이 사용되는데 이는current comparator resistance bridge 10-7 ohm

정도의 저항 조절이 가능한 장비이며 이를 온도로 환산하면 정도의 고정001mK

밀도를 가진다

- 31 -

제 장 기술개발결과3

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제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금 박막의 필요성1

백금 박막은 백금 자체의 온도 저항 특성을 이용한 온도센서 및 로서의 응용 heater

과 촉매로서의 활용도 활발하게 이루어지고 있다 박막온도센서로의 응용을 위해서

는 온도변화에 따른 저항 변화계수(Temperature Coefficient of Resistance TCR)

가 중요한데 규정값(38510-3 이상의 을 얻기 위해서는 백금의 두께가 ) TCR 1

이상이 되어야 한다고 알려져 있다 5) 그림 은 백금박막의 두께에 따른 의6 TCR

변화를 나타내는 그림이다 은 두께뿐만 아니라 백금 박막의 미세구조 불순물 TCR

기판의 열팽창 계수 등 여러 가지 요인에 의존한다 이러한 여러 변수 중 두께 및

미세구조 조절은 순도와 함께 최적의 온도 저항 계수를 위한 중요 변수로 작용하는

것으로 알려져 있다18-20)

그림 두께에 따른 온도저항계수의 변화 6 5)

실리콘 기판 위의 백금증착은 앞서 설명한 바와 같이 열팽창 계수의 차이 부착력

문제 등으로 원하는 을 얻기 어렵다 백금의 열팽창 계수는TCR 8910-6 로 경우degc

실리콘에(2610-6 비해 높은 값을 가지며 온도 에서 다음과 같은 저항체 길degC) T

이의 변화를 유발하게 된다

- 33 -

L(T)=L(o)(1+ (Tα t-To)

백금과 기판의 열팽창 계수 차이 온도 Tα

특히 기판의 열팽창 계수가 작으면 백금저항의 감소를 유발하게 되어 저하의 TCR

원인이 된다 따라서 기존 상용제품의 경우 대부분이 백금과 열팽창 계수 차이가

없고 부착력이 좋은 알루미나를 기판재료로 사용하고 있다 본 과제의 거대 입성장

된 백금박막은 이러한 열팽창 계수의 차이에서 오는 부의 효과를 미세구조의 조절

을 통해 극복하고자 하였다

에 영향을 미치는 접착증을 사용하지 않으면서 백금박막의 접착력 증진을 위TCR

한 방법은 기존의 이노스텍 특허 기술을 이용하여 증착할 수 있다36) 이 경우 백금

박막의 미세구조는 그림 과 같이 일반적인 구조의 백금박막을 얻을 수7 columnar

있다 그러나 이 경우 은 TCR 38010-3 정도로 온도센서로 사용가능한 규격 인

38010-3 에 크게 못 미침을 예비 실험을 통하여 알 수 있었다

그림 일반적인 백금박막의 미세구조를 나타내는 전자 현미경 사진 7

- 34 -

또한 승온과 냉각과정에서 같은 온도에서의 저항값이 서로 다른 특성을hysteresis

나타내었다 이는 온도의 상승에 따라 열팽창계수의 차이에 의한 응력이나 접착력

변화에서 기인되는 문제로 생각되었다 백금 박막의 미세구조를 단결정에 가깝게

제작할 수 있다면 입계면에서의 에 기인하는 저항변화 를 제거 할 수scatting factor

있다 본 과제에서는 이를 위하여 백금의 거대입성장 현상을 이용하여 두께 에 1

서 수 의 입자크기를 갖는 백금박막을 온도센서 소자로 사용하였다 거대입mm~cm

성장 박막의 증착 조건 등은 표 에 표시하였다6

- 35 -

거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

- 36 -

그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 16 -

제 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표5

최종목표(1) 반도체 공정기술을 이용한 백금박막 온도센서 양산기술 개발

실리콘 기판위에 표준저항 인 온도센서 개발Pt 100 Pt 500 Pt 1000

가 센서용 백금 박막의 증착 및 증착 공정의 최적화 RTD

두께에 따른 온도선형계수 변화(TCR) ㆍ

두께의 균일도는 이내1士ㆍ

미세구조 제어 입자크기에 따른 온도선형 계수 변화 특성( (TCR) )ㆍ

우선배향성에 따른 온도선형계수 변화 특성(TCR) ㆍ

비저항은 이하12 ㆍ μΩ

나 센서용 백금 박막선의 제작을 위한 미세회로 공정의 최적화 RTD

를 제외한 센서소자 크기Pad 22mmㆍ 2 이하

SiOㆍ 2 에칭을 통한 형성 선폭 최대 에서 최소 의 범위를 갖음pattern 100 3

설계된 의 형성에 따른 미세구조 제어patternㆍ

제작된 백금 박막선의 에서의 저항0degC (Rㆍ o 은 선폭 및 길이 또는 공정에 무관하)

게 최대 최소 임1000 100 Ω Ω

제작된 백금 박막선의 온도선형계수 값은 선폭 및 길이 또는 공정에 무관(TCR)ㆍ

하게 정확하게 38510-3 이상 이어야 함

다 소자 평가

및 규격에 따라 센서회로를 설계 제작함KS JIS ㆍ 19-20) 이들 규격에 의하면 제작된

백금 박막선 저항의 양끝에 개의 도선을 접속한 선식 한쪽 끝에 개 다른 한 끝1 2 2

에 개의 토선을 접속한 선식 및 양 끝에 개의 도선을 접속한 선식이 있음1 3 2 4

선식 및 선식은 도선의 저항 효과를 없애기 위한 방식이나 생산성의 저하 우려3 4ㆍ

가 있음 따라서 선식에 의한 회로 구성을 기본으로 선 및 선식을 병행함 2 3 4

선식의 경우 백금 박막선의 저항 값2 (Rㆍ RTD 에 대하여 도선의 저항 값을 충분히)

작게 하여 배 이하 도선의 온도 상승효과를 보상함(100 )

- 17 -

제작된 백금 박막선의 온도 변화에 따른 선형 저항 변화를 유지하기 위한 본딩ㆍ

패드와 도선 접합 저항의 최소화 접촉 저항은 미만( 01 )Ω

온도 구간에서 안정하게 저항 변화를 감지하는 회로 제작-200degC ~ 500degC ㆍ

고정점 에서의 온도 저항의triple point(0degC)- Indium melting point (15659degC)ㆍ

선형성 평가

- 18 -

제 장 기술개발 내용과 방법2

- 19 -

제 장 기술개발 내용과 방법2

제 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목1

표 개발 기술의 평가방법 및 평가항목 5

온도선형계수1

온도선형계수 는 온도센서의 성능을 구별하기 위해 특정온도 구간에서의 평균기(a)

울기로 정의되며 백금의 경우 사이에서의 평균기울기로 정의된다0-100degC 19-20)

DIN22) IEC23) 등 각국의 공업규격에서는 백금측온 저항체의 경우 값으로a

000385degC-1을 규정하고 있다

=(R(100)-R(0))100R(0)α

- 20 -

표준기급 백금저항온도계의 온도변환이나 공업용 저항온도계의 보정 시에는 저항의

절대 값보다 기준온도 에 대한 상대 저항비 가 중요하게 되며 상대 저항비(0degC) (W)

값으로 온도를 계산하게 된다 본 과제에서는 업계 최초로 실리콘 기판을 사용하여

공업규격에 맞는 온도선형성을 갖는 백금박막 온도센서를 개발하고자 하였다 현재

까지 국내에서 개발된 백금박막 온도센서의 경우 온도선형계수는 38510-3 미

만으로 알려져 있다24) 기판을 사용한 경우 층을 중간층으로 사용할 경우Si MgO

값이TCR 38510-3 이상 됨을 보고한 바 있으나 상용화 되거나 일반화 되지는

못하고 있다25))

표준저항2

현재까지 가장 많이 사용되고 있는 백금박막 온도센서으 에서의 표준저항은I 0

이다 이는 지금까지의 알루미나 기판에 과 같은 방법으로 제100 screen printingΩ

작되는 온도센서 제작기술로는 백금박막의 선폭을 하로 제작하기 어려워 소100 ol

자크기에 제한이 따르기 때문이다 최근 들어 사진식각공정이나 레이저 트리밍 기

술의 발전에 따라 선폭의 감소가 이루어져 의 표준저항을 갖는 소자500 1000Ω Ω

의 상용화가 시작되고 있다 표준저항이 클수록 온도 변화에 따른 저항변화가 커서

온도분해능이 증가하는 장점이 있다 본 과제에서는 실리콘 기판에 산화막을 형성

하고 산화막에칭을 통해 선폭을 조절하므로 선폭의 조절이 까지 가능sub-micron

하여 표준저항을 용이하게 증가시킬 수 있으나 선폭저하에 따른 물성저하 등을 고

려하여 본 과제에서는 우선 표준저항 을 목표로 패턴을 디자인 하였100 1000Ω Ω

다

선폭3

선폭은 크게 두가지 측면에서 중요한 인자가 된다 선폭이 감소하면 아래 식에서

저항값을 증가시킬 수 있어 표준저항을 높이거나 같은 표준저항에서 소자크기를 작

게 할 수 있다

R = p(LA) ----------(a)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

- 21 -

그러나 선폭이 너무 작아지면 박막의 두께에 의한 효과와 같이 비저항의 감소가 있

을 수 있다5) 본 과제에서는 선폭을 로 변화시켜 본 과제에서 개2 5 10 50

발된 백금박막 증착공정의 적용여부와 온도선형계수를 조사하였다

소자크기4

소자크기는 응답속도와 직접적인 관계를 갖는다 응답속도의 경우 온도센서의 분해

능 안정도 재현성 등과 더불어 온도센서를 평가하는 중요항목 중의 하나이다 일

반적으로 시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된632

다 온도센서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름

속도에 따라 달라지며 다음과 같은 식으로 알려져 있다 826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 열전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정 A

수 값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기뿐만 아니라 기판재료로 열전도가

알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므로 시정(25WmK) (148WmK)

수가 개선될 것으로 생각된다27)

온도안정성5

온도센서 특성중의 하나인 온도안정성은 의 국제규격에 따라 두 가지IEC751 type

으로 정의된다23)

Class A = (015+0002t)士

온도Class B = (030+0003t) t土

- 22 -

대부분의 박막타입의 경우 가 적용되고 있다 본 과제에서 적용된 백금 박class B

막의 경우 상온 증착 후 후열처리를 통해 백금의 입자크기가 의 크기를 갖mm~cm

는 단결정 입자로 구성되어 온도변화에 따른 특성이 매우 양호한hysteresis loop

특성을 가지고 있다 이러한 온도안정성에 영향을 미치는 요인으로는 흡착가스의

영향 백금입자의 입자성장 기판과의 열팽창 계수 차이에서 오는 응력 등이 주요

원인이 된다18) 상기평가항목의 평가 에 맞는 온도센서를 제작하기 위하여 증spec

착공정의 개발 패턴형성공정 개발 및 소자평가등 각각의 항목에 대한 세부내역은

제 절에 나타내었다2

- 23 -

제 절 백금박막 증착공정의 개발2

그림 는 본 과제에 사용된 기의 개략도를 나타내는 그림이다 진공시스4 sputtering

템은 와 로 구성되었으며rotary turbo pump 10-3 까지는 를 사Torr rotary pump

용하고 그 이후는 와 를 사용하여rotary turbo pump 3010-6 까지 반응실의Torr

진공을 유지 할 수 있도록 설계되었다 스퍼터 방식은 하향식이며 기판온도는 SiC

를 이용하여 까지 조절할 수 있다 균일한 증착을 위해 기판의 회전수heater 700

는 으로 조정가능하며 플라즈마 가스는 아르곤을 사용하였다 증착효율을1-20rpm

높이기 위해 타게트 뒷 부위에 영구자석을 설치한 방식을magnetron sputtering

채택하였다 가스압 조절을 위해 사의 사 MKS Baratron gauge Granville-phillips

의 를 사용하였으며 를 이용하여 가스의 유량을 조절vacuum gauge controller MFC

하였다 증착속도와 증착두께는 사의 Sycon Instruments STM-100MF

와 사의 을 이용하여 실측두께와 표시두께를thicknessrate monitor Tencor -stepα

보정하여 측정하였다

그림 본 과제에서 사용된 스퍼터링 시스템의 모식도4

- 24 -

일반적으로 스퍼터링에 사용되는 가스는 타게트 물질과의 반응을 방지하기 위하여

불활성 가스 를 사용한다 금속 타게트와 플라즈마 가스와의 반응을 이(Ar Kr Xe)

용한 에서는 반응가스로reactive sputtering O2를 첨가하기도 한다28) 본 연구에서

는 스퍼터링 가스로 아르곤과 아르곤 산소 가지를 사용하였으며 기판온도는 상온+ 2

으로 고정 시켰다 가스압은 증착 는 증착된 백금 1-22 mTorr power 100-250W

박막의 비저항은 를 이용하여 면저항을 측정한 후 을 이용하4 point probe -stepα

여 측정한 두께를 곱하여 구하였다 기판으로 사용된 실리콘 웨이퍼는 thermal

법으로 의oxidation 15 SiO 2 산화막이 증착된 이다P-type Si(100)

박막증착1

증착은 기판온도 가스압력 증착 뿐만 아니라 챔버의Sputtering power geometry

도 중요한 변수 중의 하나이다 예비 실험결과 아르곤만을 가지고 제작한 온도센서

는 기판과의 부착력이 나쁘고 온도선형성이나 온도저항계수 등 제반 사항이 온도센

서 제작에는 맞지 않은 것으로 판명되었다 또한 본 과제에서 기판과의 열팽창 계

수 차이에서 오는 온도저항계수의 저하를 백금미세구조 제어로 해결하고자 하였다

즉 백금박막의 거대입성장을 유도하여 거대입자로 구성된 온도센서를 제작하였다

거대입성장을 얻기 위한 공정은 기존의 실험결과를 바탕으로 다음과 같은 최적 조

건에서 박막을 증착하였다

표 온도센서 제작을 위한 백금박막의 최적 증착조건6

기판온도 가스비 아르곤 산소( ) 증착압력 증착power 비고

상온 1915(SCCM) 5 mTorr 170W

- 25 -

증착박막의 열처리2

증착된 박막의 열처리는 일반적인 전기로를 사용하였으며 공기중에서 600~1200

영역에서 한 시간 동안 열처리 하였다 열처리 조건에 따른 의 변화에 대한 많 TCR

은 보고가 있으나 본 실험에서는 한 시간으로 고정하였다24-2529) 이는 본 과제에

적용된 거대입성장 백금박막의 경우 시간에 따른 미세구조나 물성 차이를 보이지

않기 때문이었다 또한 백금증착시 산소를 점가하는 경우 백금산화물이 형성되거나

비저항 값이 증가하므로 열처리를 통해 증착 중 첨가된 산소를 박막외부로 확산시

켜야 한다 백금산화물의 경우 반도체 산화물로서 온도저항계수가 음의 값을 갖는

다2430-33) 이러한 산소의 탈착거동을 알아보기 위해 미소열량계를 이용하여 산소의

탈착거동을 관찰하였으며 소광계수의 변화 등을 관찰하였다 소광계수 측정을 위한

박막의 열처리는 진공분위기 에서 써머커플을 기판에 접촉시켜 측정하였(50 mTorr)

다

박막의 물성 측정3

두께 및 비저항 측정3-1

박막의 두께는 사의 을 이용하여 측정하였다 시편에 를 내Tencor -step scratchα

서 박막이 일부를 제거한 후 그 단차를 측정하여 두께를 측정한 후 4-point probe

로 측정한 면저항 값을 곱하여 비저항 값을 얻었다

미세구조 관찰3-2

박막의 입자크기는 이하이므로AS-depo 1000 TEM(Transmission ElectronÅ

관찰을 하였다 슬라이드에 시편을 붙이고 사포를 이용하여 이하Microscopy) 80

까지 연마한 후 하였다 한 시편을 직경 의 에 부착시dimpling dimpling 3 Cu grid

켜 을 하며 이 과정에서 입자충돌에 따른 국부적인 온도상승에 의한 박ion milling

막의 미세구조 변화를 막기 위해 액체질소를 이용하여 냉각하였다 열처리이후에는

를 이용하여 미세구조를 관찰하였다 거대입SEM(Scanning Electron Microscope)

성장의 관찰을 위해서는 광학현미경을 이용하여 입계를 관찰한 후 으로 보다SEM

자세한 입계면과 미세구조를 관찰하였다

결정성 분석3-3

박막의 결정성과 백금산화물의 상형성을 알아보기 위해 정도의 시편을 만1 x1

들어 사의 선 회절기로 을 얻었다 는MAC science X XRD pattern X-ray Cu Ka line

을 사용하였다( =15405 ) λ Å

- 26 -

첨가가스의 탈착 거동3-4

산소가스의 탈착 거동은 미세 열량분석계 와 를 이용하였다(DTA) ellipsometer DTA

는 반응생성물에 따라 계에 출입하는 미세 열량변화를 측정하여 계의 화학 반응온

도 등을 측정할 수 있는 측정 장비이다 는 특수한 광도계 Ellipsometer (

의 하나이며 빛의 편광상태의 변화를 측정하여 표면 및 박막의 구조와photometry)

물성 물질의 광특성 등을 연구하는데 사용되는 정밀 측정 기기이다

시료의 물성과 구조에 따라 반사 또는 투과광의 편광상태는 예민하게 변하므로 편

광상태 변화의 측정 및 분석을 통하여 시료의 물성과 구조에 대한 정보를 정밀하게

얻을 수 있어서 반도체 산업에서 산화막의 두께 및 두께 분포의 측정을 포함하여

박막 등의 분석에 널리 이용되고 있다

최근 반도체 광학재료의 제조 공정에 있어서 공정 제어를 위한 실시간 측정의 필

요성이 증대되고 있다 이에 따라 시료의 표면 상태와 박막의 구조 해석에 뛰어난

능력이 인정된 타원해석기를 이용하는 사례가 증가하고 있다

는 크게 나누어 와 단파장Ellipsometer spectroscopic ellipsometer(SE)

로 나눌 수 있는데 는 구조가 복잡하거나 물성이 알려져 있지 않은ellipsometer SE

시료의 기계적 두께 전자적 흡수단 구조 해석에 유리하지만 증착 에칭 열처리( ) ( )

표면반응 등의 공정 관측에는 거의 연속적인 데이터 획득이 유리한 단파장 타원해

석기가 널이 이용되고 있다 본 과제에서는 반사된 광원의 와 를 측정하 tan cosψ

여 굴절율 과 소광계수 값을 측정하였다(n) (k)

- 27 -

제 절 패턴 제작 공정의 개발3

일반적으로 금속의 저항은 다음의 식으로 표시된다

R = p(LA) -------------- (A)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 단면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

금속의 저항은 위와 같은 형태학적인 변수 외에 온도 등에도 의존하게 되는데 Pt

등의 경우 이러한 금속의 저항이 온도에 대해 선형적으로 증가하는 특Ni Cu W

성을 가지고 있다 이러한 온도저항 특성을 이용하여 주변의 온도를 감지하는 측온

저항체 온도센서로 많이 사용되고 있다 이러한 온도센서는 주변 온도에 대하여 다

음의 관계식을 갖는다

R(T) = R0 + TR0

온도 에서의 저항R(T) T Ro 기준점 에서의 저항 온도선형계수 측정온 (O ) T α

도

물질에 따라 온도선형계수 는 정해져 있으며 형태변수식 에 의한 금속의 저( ) (A)α

항 값이 높을수록 온도변화에 대한 저항변화 값이 증가하여 정확한 온도를 측정할

수 있다 소자의 경향에 따라 작은 크기의 미세소자로 원하는 기능을 輕薄短小化

얻고자 하는 것이 기술적인 경향이다 따라서 박막 기술을 이용한 금속 박막 온도

센서의 제작이 활발히 이루어지고 있으며 일부 제품의 경우 제품화되어 사용되고

있다 금속의 종류에 따라 특성을 나타내기 위한 최소의 박막 두께가 정해지 bulk

며 일정 두께 이하에서는 특성을 나타내지 못하게 된다 따라서 안정한 소자bulk

를 얻기 위해서는 일정 두께 이상의 박막두께가 필요하게 된다5) 백금저항소자의

경우 마이크로미터 이상의 두께가 필요한 것으로 알려져 있다 박막의 두께가10

일정할 때 저항 값의 조절은 패턴의 선폭에 의하여 조절되게 된다 이러한 선폭을

조절하기 위하여 기존에 사용되는 방법은 레이저트리밍 습식 식각 건식 식각 등의

방법이 사용된다 선폭의 조절이나 소자의 열화와 같은 문제가 발생할 수 있다

- 28 -

본 과제에서는 박막형 온도센서 제작에 있어 실리콘 기판위에 절연층의 식각을 통

해 원하는 패턴을 미리 형성하고 금속을 증착하여 온도센서를 제조함으로써 백금박

막의 저항조절을 용이하게 하고 소자의 내구성 향상과 소자크기를 소형화한 온도센

서를 제작하고자 하였다 그림 는 본 과제의 온도센서 제조공정을 나타내는 그림 5

이다 공정의 용이성에 따라 절연막 코팅을 패드보호막 형성 이후에 진행할 수도

있다

그림 당 과제에서 개발한 매립형 백금박막 온도센서 제조공정 모식도 5

- 29 -

제 절 소자 평가4

백금저항 온도센서의 여러 가지 물성 측정은 규정에 따른다KS C 1603-1991 19)

이에 따르면 온도특성 전기적 특성 기계적 특성에 대한 측정으로 크게 구별 될 수

있다 온도특성에는 온도에 대한 허용오차 안정도 자기 가열특성 등이 있으며 전

기적 특성에는 절연저항 내전압 등이 있고 기계적 특성으로는 내충격성과 내진동

성 등의 세부 항목들이 있으며 각각의 특성치를 시험하기 위한 방법이 규정되어 있

다

국제온도눈금 규격 에(ITS-1990 The International Temperature Scale of 1990)

의하면 평형수소의 삼중점 부터 은의 응고점 까지의 영역에서는(138033K) (96178)

에서 정의된 고정점들 사이를 내삽해 주는 기준함수 및 편차함수를 사용ITS-1990

하여 교정된 백금저항온도계에 의해 정의되도록 하고 있다 따라서 온도센서의 검

교정은 사용영역 내에서의 고정점들과 표준온도계의 온도저항 특성을 비교함으로써

얻을 수 있다 본 과제에서는 제작된 온도센서 및 상용센서의 평가를 위해 한국표

준과학연구원의 온도연구실에 있는 장비를 이용하였다 리드선의 저항오차를 최대

한 줄이기 위해 선 결선 방법을 택하였으며 리드선으로 직경 의 백금 선4 02 mm

을 사용하였다 물의 삼중점 주석의 녹는점 아연의 녹는점 등의 고정점 개와 항 3

온조를 이용한 50~ 도 사이의 온도 범위에서 측정점을 정하여 백금표준온도450

저항값과 제작된 온도센서의 저항값을 측정하여 온도선형계수 및 고온에서의 허용

오차 등을 측정하였다 측정조건은 를 사용하여 규정전류 HP 3458 multimeter 1mA

를 회로상에 흐르도록 구성한 뒤 저항값을 소수 째 자리까지 측정하여 유효 숫자4

는 소수 자리까지 사용하였다 일정한 온도를 얻기 위하여 사용되는 항온조는 온3

도영역에 따라 이하의 저온 영역은 알콜 영역에서는 에틸렌 글리0 0~100

콜 은 실리콘 오일을 사용하였으며 원하는 온도에 이른 후 평형을 100~200

위하여 분 이상 기다린 다음 표준저항기와 온도센서의 저항값을 각각 회씩 측30 3

정하여 평균값을 취하였다

- 30 -

에서는 저항기의 기준값으로 를 물의 삼중점 의 저ITS-1990 R (27316K=001 )

항 값으로 취하고 있다 정점의 실현은 녹는점 또는 어는점에서 잠열의 출입과 관

계없이 일정한 온도를 유지하는 특성을 이용한 것으로 녹는점 부근에서의 열량 조

절이 매우 중요하다 주석과 아연의 녹는점 실현을 위한 로는 석영관 내부에 주석

과 아연이 들어 있는 가 있고 표준저항기와 측정하고자 하는 온도센서thermal bath

가 들어가 있는 작은 석영관으로 이루어진 이중 구조로 되어있다 녹는점의 실현

을 위해서는 정밀한 저항 조절을 통한 온도제어가 필요하다 이를 위해 사용되는

기기로는 등이 사용되는데 이는current comparator resistance bridge 10-7 ohm

정도의 저항 조절이 가능한 장비이며 이를 온도로 환산하면 정도의 고정001mK

밀도를 가진다

- 31 -

제 장 기술개발결과3

- 32 -

제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금 박막의 필요성1

백금 박막은 백금 자체의 온도 저항 특성을 이용한 온도센서 및 로서의 응용 heater

과 촉매로서의 활용도 활발하게 이루어지고 있다 박막온도센서로의 응용을 위해서

는 온도변화에 따른 저항 변화계수(Temperature Coefficient of Resistance TCR)

가 중요한데 규정값(38510-3 이상의 을 얻기 위해서는 백금의 두께가 ) TCR 1

이상이 되어야 한다고 알려져 있다 5) 그림 은 백금박막의 두께에 따른 의6 TCR

변화를 나타내는 그림이다 은 두께뿐만 아니라 백금 박막의 미세구조 불순물 TCR

기판의 열팽창 계수 등 여러 가지 요인에 의존한다 이러한 여러 변수 중 두께 및

미세구조 조절은 순도와 함께 최적의 온도 저항 계수를 위한 중요 변수로 작용하는

것으로 알려져 있다18-20)

그림 두께에 따른 온도저항계수의 변화 6 5)

실리콘 기판 위의 백금증착은 앞서 설명한 바와 같이 열팽창 계수의 차이 부착력

문제 등으로 원하는 을 얻기 어렵다 백금의 열팽창 계수는TCR 8910-6 로 경우degc

실리콘에(2610-6 비해 높은 값을 가지며 온도 에서 다음과 같은 저항체 길degC) T

이의 변화를 유발하게 된다

- 33 -

L(T)=L(o)(1+ (Tα t-To)

백금과 기판의 열팽창 계수 차이 온도 Tα

특히 기판의 열팽창 계수가 작으면 백금저항의 감소를 유발하게 되어 저하의 TCR

원인이 된다 따라서 기존 상용제품의 경우 대부분이 백금과 열팽창 계수 차이가

없고 부착력이 좋은 알루미나를 기판재료로 사용하고 있다 본 과제의 거대 입성장

된 백금박막은 이러한 열팽창 계수의 차이에서 오는 부의 효과를 미세구조의 조절

을 통해 극복하고자 하였다

에 영향을 미치는 접착증을 사용하지 않으면서 백금박막의 접착력 증진을 위TCR

한 방법은 기존의 이노스텍 특허 기술을 이용하여 증착할 수 있다36) 이 경우 백금

박막의 미세구조는 그림 과 같이 일반적인 구조의 백금박막을 얻을 수7 columnar

있다 그러나 이 경우 은 TCR 38010-3 정도로 온도센서로 사용가능한 규격 인

38010-3 에 크게 못 미침을 예비 실험을 통하여 알 수 있었다

그림 일반적인 백금박막의 미세구조를 나타내는 전자 현미경 사진 7

- 34 -

또한 승온과 냉각과정에서 같은 온도에서의 저항값이 서로 다른 특성을hysteresis

나타내었다 이는 온도의 상승에 따라 열팽창계수의 차이에 의한 응력이나 접착력

변화에서 기인되는 문제로 생각되었다 백금 박막의 미세구조를 단결정에 가깝게

제작할 수 있다면 입계면에서의 에 기인하는 저항변화 를 제거 할 수scatting factor

있다 본 과제에서는 이를 위하여 백금의 거대입성장 현상을 이용하여 두께 에 1

서 수 의 입자크기를 갖는 백금박막을 온도센서 소자로 사용하였다 거대입mm~cm

성장 박막의 증착 조건 등은 표 에 표시하였다6

- 35 -

거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

- 36 -

그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

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리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 17 -

제작된 백금 박막선의 온도 변화에 따른 선형 저항 변화를 유지하기 위한 본딩ㆍ

패드와 도선 접합 저항의 최소화 접촉 저항은 미만( 01 )Ω

온도 구간에서 안정하게 저항 변화를 감지하는 회로 제작-200degC ~ 500degC ㆍ

고정점 에서의 온도 저항의triple point(0degC)- Indium melting point (15659degC)ㆍ

선형성 평가

- 18 -

제 장 기술개발 내용과 방법2

- 19 -

제 장 기술개발 내용과 방법2

제 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목1

표 개발 기술의 평가방법 및 평가항목 5

온도선형계수1

온도선형계수 는 온도센서의 성능을 구별하기 위해 특정온도 구간에서의 평균기(a)

울기로 정의되며 백금의 경우 사이에서의 평균기울기로 정의된다0-100degC 19-20)

DIN22) IEC23) 등 각국의 공업규격에서는 백금측온 저항체의 경우 값으로a

000385degC-1을 규정하고 있다

=(R(100)-R(0))100R(0)α

- 20 -

표준기급 백금저항온도계의 온도변환이나 공업용 저항온도계의 보정 시에는 저항의

절대 값보다 기준온도 에 대한 상대 저항비 가 중요하게 되며 상대 저항비(0degC) (W)

값으로 온도를 계산하게 된다 본 과제에서는 업계 최초로 실리콘 기판을 사용하여

공업규격에 맞는 온도선형성을 갖는 백금박막 온도센서를 개발하고자 하였다 현재

까지 국내에서 개발된 백금박막 온도센서의 경우 온도선형계수는 38510-3 미

만으로 알려져 있다24) 기판을 사용한 경우 층을 중간층으로 사용할 경우Si MgO

값이TCR 38510-3 이상 됨을 보고한 바 있으나 상용화 되거나 일반화 되지는

못하고 있다25))

표준저항2

현재까지 가장 많이 사용되고 있는 백금박막 온도센서으 에서의 표준저항은I 0

이다 이는 지금까지의 알루미나 기판에 과 같은 방법으로 제100 screen printingΩ

작되는 온도센서 제작기술로는 백금박막의 선폭을 하로 제작하기 어려워 소100 ol

자크기에 제한이 따르기 때문이다 최근 들어 사진식각공정이나 레이저 트리밍 기

술의 발전에 따라 선폭의 감소가 이루어져 의 표준저항을 갖는 소자500 1000Ω Ω

의 상용화가 시작되고 있다 표준저항이 클수록 온도 변화에 따른 저항변화가 커서

온도분해능이 증가하는 장점이 있다 본 과제에서는 실리콘 기판에 산화막을 형성

하고 산화막에칭을 통해 선폭을 조절하므로 선폭의 조절이 까지 가능sub-micron

하여 표준저항을 용이하게 증가시킬 수 있으나 선폭저하에 따른 물성저하 등을 고

려하여 본 과제에서는 우선 표준저항 을 목표로 패턴을 디자인 하였100 1000Ω Ω

다

선폭3

선폭은 크게 두가지 측면에서 중요한 인자가 된다 선폭이 감소하면 아래 식에서

저항값을 증가시킬 수 있어 표준저항을 높이거나 같은 표준저항에서 소자크기를 작

게 할 수 있다

R = p(LA) ----------(a)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

- 21 -

그러나 선폭이 너무 작아지면 박막의 두께에 의한 효과와 같이 비저항의 감소가 있

을 수 있다5) 본 과제에서는 선폭을 로 변화시켜 본 과제에서 개2 5 10 50

발된 백금박막 증착공정의 적용여부와 온도선형계수를 조사하였다

소자크기4

소자크기는 응답속도와 직접적인 관계를 갖는다 응답속도의 경우 온도센서의 분해

능 안정도 재현성 등과 더불어 온도센서를 평가하는 중요항목 중의 하나이다 일

반적으로 시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된632

다 온도센서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름

속도에 따라 달라지며 다음과 같은 식으로 알려져 있다 826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 열전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정 A

수 값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기뿐만 아니라 기판재료로 열전도가

알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므로 시정(25WmK) (148WmK)

수가 개선될 것으로 생각된다27)

온도안정성5

온도센서 특성중의 하나인 온도안정성은 의 국제규격에 따라 두 가지IEC751 type

으로 정의된다23)

Class A = (015+0002t)士

온도Class B = (030+0003t) t土

- 22 -

대부분의 박막타입의 경우 가 적용되고 있다 본 과제에서 적용된 백금 박class B

막의 경우 상온 증착 후 후열처리를 통해 백금의 입자크기가 의 크기를 갖mm~cm

는 단결정 입자로 구성되어 온도변화에 따른 특성이 매우 양호한hysteresis loop

특성을 가지고 있다 이러한 온도안정성에 영향을 미치는 요인으로는 흡착가스의

영향 백금입자의 입자성장 기판과의 열팽창 계수 차이에서 오는 응력 등이 주요

원인이 된다18) 상기평가항목의 평가 에 맞는 온도센서를 제작하기 위하여 증spec

착공정의 개발 패턴형성공정 개발 및 소자평가등 각각의 항목에 대한 세부내역은

제 절에 나타내었다2

- 23 -

제 절 백금박막 증착공정의 개발2

그림 는 본 과제에 사용된 기의 개략도를 나타내는 그림이다 진공시스4 sputtering

템은 와 로 구성되었으며rotary turbo pump 10-3 까지는 를 사Torr rotary pump

용하고 그 이후는 와 를 사용하여rotary turbo pump 3010-6 까지 반응실의Torr

진공을 유지 할 수 있도록 설계되었다 스퍼터 방식은 하향식이며 기판온도는 SiC

를 이용하여 까지 조절할 수 있다 균일한 증착을 위해 기판의 회전수heater 700

는 으로 조정가능하며 플라즈마 가스는 아르곤을 사용하였다 증착효율을1-20rpm

높이기 위해 타게트 뒷 부위에 영구자석을 설치한 방식을magnetron sputtering

채택하였다 가스압 조절을 위해 사의 사 MKS Baratron gauge Granville-phillips

의 를 사용하였으며 를 이용하여 가스의 유량을 조절vacuum gauge controller MFC

하였다 증착속도와 증착두께는 사의 Sycon Instruments STM-100MF

와 사의 을 이용하여 실측두께와 표시두께를thicknessrate monitor Tencor -stepα

보정하여 측정하였다

그림 본 과제에서 사용된 스퍼터링 시스템의 모식도4

- 24 -

일반적으로 스퍼터링에 사용되는 가스는 타게트 물질과의 반응을 방지하기 위하여

불활성 가스 를 사용한다 금속 타게트와 플라즈마 가스와의 반응을 이(Ar Kr Xe)

용한 에서는 반응가스로reactive sputtering O2를 첨가하기도 한다28) 본 연구에서

는 스퍼터링 가스로 아르곤과 아르곤 산소 가지를 사용하였으며 기판온도는 상온+ 2

으로 고정 시켰다 가스압은 증착 는 증착된 백금 1-22 mTorr power 100-250W

박막의 비저항은 를 이용하여 면저항을 측정한 후 을 이용하4 point probe -stepα

여 측정한 두께를 곱하여 구하였다 기판으로 사용된 실리콘 웨이퍼는 thermal

법으로 의oxidation 15 SiO 2 산화막이 증착된 이다P-type Si(100)

박막증착1

증착은 기판온도 가스압력 증착 뿐만 아니라 챔버의Sputtering power geometry

도 중요한 변수 중의 하나이다 예비 실험결과 아르곤만을 가지고 제작한 온도센서

는 기판과의 부착력이 나쁘고 온도선형성이나 온도저항계수 등 제반 사항이 온도센

서 제작에는 맞지 않은 것으로 판명되었다 또한 본 과제에서 기판과의 열팽창 계

수 차이에서 오는 온도저항계수의 저하를 백금미세구조 제어로 해결하고자 하였다

즉 백금박막의 거대입성장을 유도하여 거대입자로 구성된 온도센서를 제작하였다

거대입성장을 얻기 위한 공정은 기존의 실험결과를 바탕으로 다음과 같은 최적 조

건에서 박막을 증착하였다

표 온도센서 제작을 위한 백금박막의 최적 증착조건6

기판온도 가스비 아르곤 산소( ) 증착압력 증착power 비고

상온 1915(SCCM) 5 mTorr 170W

- 25 -

증착박막의 열처리2

증착된 박막의 열처리는 일반적인 전기로를 사용하였으며 공기중에서 600~1200

영역에서 한 시간 동안 열처리 하였다 열처리 조건에 따른 의 변화에 대한 많 TCR

은 보고가 있으나 본 실험에서는 한 시간으로 고정하였다24-2529) 이는 본 과제에

적용된 거대입성장 백금박막의 경우 시간에 따른 미세구조나 물성 차이를 보이지

않기 때문이었다 또한 백금증착시 산소를 점가하는 경우 백금산화물이 형성되거나

비저항 값이 증가하므로 열처리를 통해 증착 중 첨가된 산소를 박막외부로 확산시

켜야 한다 백금산화물의 경우 반도체 산화물로서 온도저항계수가 음의 값을 갖는

다2430-33) 이러한 산소의 탈착거동을 알아보기 위해 미소열량계를 이용하여 산소의

탈착거동을 관찰하였으며 소광계수의 변화 등을 관찰하였다 소광계수 측정을 위한

박막의 열처리는 진공분위기 에서 써머커플을 기판에 접촉시켜 측정하였(50 mTorr)

다

박막의 물성 측정3

두께 및 비저항 측정3-1

박막의 두께는 사의 을 이용하여 측정하였다 시편에 를 내Tencor -step scratchα

서 박막이 일부를 제거한 후 그 단차를 측정하여 두께를 측정한 후 4-point probe

로 측정한 면저항 값을 곱하여 비저항 값을 얻었다

미세구조 관찰3-2

박막의 입자크기는 이하이므로AS-depo 1000 TEM(Transmission ElectronÅ

관찰을 하였다 슬라이드에 시편을 붙이고 사포를 이용하여 이하Microscopy) 80

까지 연마한 후 하였다 한 시편을 직경 의 에 부착시dimpling dimpling 3 Cu grid

켜 을 하며 이 과정에서 입자충돌에 따른 국부적인 온도상승에 의한 박ion milling

막의 미세구조 변화를 막기 위해 액체질소를 이용하여 냉각하였다 열처리이후에는

를 이용하여 미세구조를 관찰하였다 거대입SEM(Scanning Electron Microscope)

성장의 관찰을 위해서는 광학현미경을 이용하여 입계를 관찰한 후 으로 보다SEM

자세한 입계면과 미세구조를 관찰하였다

결정성 분석3-3

박막의 결정성과 백금산화물의 상형성을 알아보기 위해 정도의 시편을 만1 x1

들어 사의 선 회절기로 을 얻었다 는MAC science X XRD pattern X-ray Cu Ka line

을 사용하였다( =15405 ) λ Å

- 26 -

첨가가스의 탈착 거동3-4

산소가스의 탈착 거동은 미세 열량분석계 와 를 이용하였다(DTA) ellipsometer DTA

는 반응생성물에 따라 계에 출입하는 미세 열량변화를 측정하여 계의 화학 반응온

도 등을 측정할 수 있는 측정 장비이다 는 특수한 광도계 Ellipsometer (

의 하나이며 빛의 편광상태의 변화를 측정하여 표면 및 박막의 구조와photometry)

물성 물질의 광특성 등을 연구하는데 사용되는 정밀 측정 기기이다

시료의 물성과 구조에 따라 반사 또는 투과광의 편광상태는 예민하게 변하므로 편

광상태 변화의 측정 및 분석을 통하여 시료의 물성과 구조에 대한 정보를 정밀하게

얻을 수 있어서 반도체 산업에서 산화막의 두께 및 두께 분포의 측정을 포함하여

박막 등의 분석에 널리 이용되고 있다

최근 반도체 광학재료의 제조 공정에 있어서 공정 제어를 위한 실시간 측정의 필

요성이 증대되고 있다 이에 따라 시료의 표면 상태와 박막의 구조 해석에 뛰어난

능력이 인정된 타원해석기를 이용하는 사례가 증가하고 있다

는 크게 나누어 와 단파장Ellipsometer spectroscopic ellipsometer(SE)

로 나눌 수 있는데 는 구조가 복잡하거나 물성이 알려져 있지 않은ellipsometer SE

시료의 기계적 두께 전자적 흡수단 구조 해석에 유리하지만 증착 에칭 열처리( ) ( )

표면반응 등의 공정 관측에는 거의 연속적인 데이터 획득이 유리한 단파장 타원해

석기가 널이 이용되고 있다 본 과제에서는 반사된 광원의 와 를 측정하 tan cosψ

여 굴절율 과 소광계수 값을 측정하였다(n) (k)

- 27 -

제 절 패턴 제작 공정의 개발3

일반적으로 금속의 저항은 다음의 식으로 표시된다

R = p(LA) -------------- (A)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 단면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

금속의 저항은 위와 같은 형태학적인 변수 외에 온도 등에도 의존하게 되는데 Pt

등의 경우 이러한 금속의 저항이 온도에 대해 선형적으로 증가하는 특Ni Cu W

성을 가지고 있다 이러한 온도저항 특성을 이용하여 주변의 온도를 감지하는 측온

저항체 온도센서로 많이 사용되고 있다 이러한 온도센서는 주변 온도에 대하여 다

음의 관계식을 갖는다

R(T) = R0 + TR0

온도 에서의 저항R(T) T Ro 기준점 에서의 저항 온도선형계수 측정온 (O ) T α

도

물질에 따라 온도선형계수 는 정해져 있으며 형태변수식 에 의한 금속의 저( ) (A)α

항 값이 높을수록 온도변화에 대한 저항변화 값이 증가하여 정확한 온도를 측정할

수 있다 소자의 경향에 따라 작은 크기의 미세소자로 원하는 기능을 輕薄短小化

얻고자 하는 것이 기술적인 경향이다 따라서 박막 기술을 이용한 금속 박막 온도

센서의 제작이 활발히 이루어지고 있으며 일부 제품의 경우 제품화되어 사용되고

있다 금속의 종류에 따라 특성을 나타내기 위한 최소의 박막 두께가 정해지 bulk

며 일정 두께 이하에서는 특성을 나타내지 못하게 된다 따라서 안정한 소자bulk

를 얻기 위해서는 일정 두께 이상의 박막두께가 필요하게 된다5) 백금저항소자의

경우 마이크로미터 이상의 두께가 필요한 것으로 알려져 있다 박막의 두께가10

일정할 때 저항 값의 조절은 패턴의 선폭에 의하여 조절되게 된다 이러한 선폭을

조절하기 위하여 기존에 사용되는 방법은 레이저트리밍 습식 식각 건식 식각 등의

방법이 사용된다 선폭의 조절이나 소자의 열화와 같은 문제가 발생할 수 있다

- 28 -

본 과제에서는 박막형 온도센서 제작에 있어 실리콘 기판위에 절연층의 식각을 통

해 원하는 패턴을 미리 형성하고 금속을 증착하여 온도센서를 제조함으로써 백금박

막의 저항조절을 용이하게 하고 소자의 내구성 향상과 소자크기를 소형화한 온도센

서를 제작하고자 하였다 그림 는 본 과제의 온도센서 제조공정을 나타내는 그림 5

이다 공정의 용이성에 따라 절연막 코팅을 패드보호막 형성 이후에 진행할 수도

있다

그림 당 과제에서 개발한 매립형 백금박막 온도센서 제조공정 모식도 5

- 29 -

제 절 소자 평가4

백금저항 온도센서의 여러 가지 물성 측정은 규정에 따른다KS C 1603-1991 19)

이에 따르면 온도특성 전기적 특성 기계적 특성에 대한 측정으로 크게 구별 될 수

있다 온도특성에는 온도에 대한 허용오차 안정도 자기 가열특성 등이 있으며 전

기적 특성에는 절연저항 내전압 등이 있고 기계적 특성으로는 내충격성과 내진동

성 등의 세부 항목들이 있으며 각각의 특성치를 시험하기 위한 방법이 규정되어 있

다

국제온도눈금 규격 에(ITS-1990 The International Temperature Scale of 1990)

의하면 평형수소의 삼중점 부터 은의 응고점 까지의 영역에서는(138033K) (96178)

에서 정의된 고정점들 사이를 내삽해 주는 기준함수 및 편차함수를 사용ITS-1990

하여 교정된 백금저항온도계에 의해 정의되도록 하고 있다 따라서 온도센서의 검

교정은 사용영역 내에서의 고정점들과 표준온도계의 온도저항 특성을 비교함으로써

얻을 수 있다 본 과제에서는 제작된 온도센서 및 상용센서의 평가를 위해 한국표

준과학연구원의 온도연구실에 있는 장비를 이용하였다 리드선의 저항오차를 최대

한 줄이기 위해 선 결선 방법을 택하였으며 리드선으로 직경 의 백금 선4 02 mm

을 사용하였다 물의 삼중점 주석의 녹는점 아연의 녹는점 등의 고정점 개와 항 3

온조를 이용한 50~ 도 사이의 온도 범위에서 측정점을 정하여 백금표준온도450

저항값과 제작된 온도센서의 저항값을 측정하여 온도선형계수 및 고온에서의 허용

오차 등을 측정하였다 측정조건은 를 사용하여 규정전류 HP 3458 multimeter 1mA

를 회로상에 흐르도록 구성한 뒤 저항값을 소수 째 자리까지 측정하여 유효 숫자4

는 소수 자리까지 사용하였다 일정한 온도를 얻기 위하여 사용되는 항온조는 온3

도영역에 따라 이하의 저온 영역은 알콜 영역에서는 에틸렌 글리0 0~100

콜 은 실리콘 오일을 사용하였으며 원하는 온도에 이른 후 평형을 100~200

위하여 분 이상 기다린 다음 표준저항기와 온도센서의 저항값을 각각 회씩 측30 3

정하여 평균값을 취하였다

- 30 -

에서는 저항기의 기준값으로 를 물의 삼중점 의 저ITS-1990 R (27316K=001 )

항 값으로 취하고 있다 정점의 실현은 녹는점 또는 어는점에서 잠열의 출입과 관

계없이 일정한 온도를 유지하는 특성을 이용한 것으로 녹는점 부근에서의 열량 조

절이 매우 중요하다 주석과 아연의 녹는점 실현을 위한 로는 석영관 내부에 주석

과 아연이 들어 있는 가 있고 표준저항기와 측정하고자 하는 온도센서thermal bath

가 들어가 있는 작은 석영관으로 이루어진 이중 구조로 되어있다 녹는점의 실현

을 위해서는 정밀한 저항 조절을 통한 온도제어가 필요하다 이를 위해 사용되는

기기로는 등이 사용되는데 이는current comparator resistance bridge 10-7 ohm

정도의 저항 조절이 가능한 장비이며 이를 온도로 환산하면 정도의 고정001mK

밀도를 가진다

- 31 -

제 장 기술개발결과3

- 32 -

제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금 박막의 필요성1

백금 박막은 백금 자체의 온도 저항 특성을 이용한 온도센서 및 로서의 응용 heater

과 촉매로서의 활용도 활발하게 이루어지고 있다 박막온도센서로의 응용을 위해서

는 온도변화에 따른 저항 변화계수(Temperature Coefficient of Resistance TCR)

가 중요한데 규정값(38510-3 이상의 을 얻기 위해서는 백금의 두께가 ) TCR 1

이상이 되어야 한다고 알려져 있다 5) 그림 은 백금박막의 두께에 따른 의6 TCR

변화를 나타내는 그림이다 은 두께뿐만 아니라 백금 박막의 미세구조 불순물 TCR

기판의 열팽창 계수 등 여러 가지 요인에 의존한다 이러한 여러 변수 중 두께 및

미세구조 조절은 순도와 함께 최적의 온도 저항 계수를 위한 중요 변수로 작용하는

것으로 알려져 있다18-20)

그림 두께에 따른 온도저항계수의 변화 6 5)

실리콘 기판 위의 백금증착은 앞서 설명한 바와 같이 열팽창 계수의 차이 부착력

문제 등으로 원하는 을 얻기 어렵다 백금의 열팽창 계수는TCR 8910-6 로 경우degc

실리콘에(2610-6 비해 높은 값을 가지며 온도 에서 다음과 같은 저항체 길degC) T

이의 변화를 유발하게 된다

- 33 -

L(T)=L(o)(1+ (Tα t-To)

백금과 기판의 열팽창 계수 차이 온도 Tα

특히 기판의 열팽창 계수가 작으면 백금저항의 감소를 유발하게 되어 저하의 TCR

원인이 된다 따라서 기존 상용제품의 경우 대부분이 백금과 열팽창 계수 차이가

없고 부착력이 좋은 알루미나를 기판재료로 사용하고 있다 본 과제의 거대 입성장

된 백금박막은 이러한 열팽창 계수의 차이에서 오는 부의 효과를 미세구조의 조절

을 통해 극복하고자 하였다

에 영향을 미치는 접착증을 사용하지 않으면서 백금박막의 접착력 증진을 위TCR

한 방법은 기존의 이노스텍 특허 기술을 이용하여 증착할 수 있다36) 이 경우 백금

박막의 미세구조는 그림 과 같이 일반적인 구조의 백금박막을 얻을 수7 columnar

있다 그러나 이 경우 은 TCR 38010-3 정도로 온도센서로 사용가능한 규격 인

38010-3 에 크게 못 미침을 예비 실험을 통하여 알 수 있었다

그림 일반적인 백금박막의 미세구조를 나타내는 전자 현미경 사진 7

- 34 -

또한 승온과 냉각과정에서 같은 온도에서의 저항값이 서로 다른 특성을hysteresis

나타내었다 이는 온도의 상승에 따라 열팽창계수의 차이에 의한 응력이나 접착력

변화에서 기인되는 문제로 생각되었다 백금 박막의 미세구조를 단결정에 가깝게

제작할 수 있다면 입계면에서의 에 기인하는 저항변화 를 제거 할 수scatting factor

있다 본 과제에서는 이를 위하여 백금의 거대입성장 현상을 이용하여 두께 에 1

서 수 의 입자크기를 갖는 백금박막을 온도센서 소자로 사용하였다 거대입mm~cm

성장 박막의 증착 조건 등은 표 에 표시하였다6

- 35 -

거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

- 36 -

그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 18 -

제 장 기술개발 내용과 방법2

- 19 -

제 장 기술개발 내용과 방법2

제 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목1

표 개발 기술의 평가방법 및 평가항목 5

온도선형계수1

온도선형계수 는 온도센서의 성능을 구별하기 위해 특정온도 구간에서의 평균기(a)

울기로 정의되며 백금의 경우 사이에서의 평균기울기로 정의된다0-100degC 19-20)

DIN22) IEC23) 등 각국의 공업규격에서는 백금측온 저항체의 경우 값으로a

000385degC-1을 규정하고 있다

=(R(100)-R(0))100R(0)α

- 20 -

표준기급 백금저항온도계의 온도변환이나 공업용 저항온도계의 보정 시에는 저항의

절대 값보다 기준온도 에 대한 상대 저항비 가 중요하게 되며 상대 저항비(0degC) (W)

값으로 온도를 계산하게 된다 본 과제에서는 업계 최초로 실리콘 기판을 사용하여

공업규격에 맞는 온도선형성을 갖는 백금박막 온도센서를 개발하고자 하였다 현재

까지 국내에서 개발된 백금박막 온도센서의 경우 온도선형계수는 38510-3 미

만으로 알려져 있다24) 기판을 사용한 경우 층을 중간층으로 사용할 경우Si MgO

값이TCR 38510-3 이상 됨을 보고한 바 있으나 상용화 되거나 일반화 되지는

못하고 있다25))

표준저항2

현재까지 가장 많이 사용되고 있는 백금박막 온도센서으 에서의 표준저항은I 0

이다 이는 지금까지의 알루미나 기판에 과 같은 방법으로 제100 screen printingΩ

작되는 온도센서 제작기술로는 백금박막의 선폭을 하로 제작하기 어려워 소100 ol

자크기에 제한이 따르기 때문이다 최근 들어 사진식각공정이나 레이저 트리밍 기

술의 발전에 따라 선폭의 감소가 이루어져 의 표준저항을 갖는 소자500 1000Ω Ω

의 상용화가 시작되고 있다 표준저항이 클수록 온도 변화에 따른 저항변화가 커서

온도분해능이 증가하는 장점이 있다 본 과제에서는 실리콘 기판에 산화막을 형성

하고 산화막에칭을 통해 선폭을 조절하므로 선폭의 조절이 까지 가능sub-micron

하여 표준저항을 용이하게 증가시킬 수 있으나 선폭저하에 따른 물성저하 등을 고

려하여 본 과제에서는 우선 표준저항 을 목표로 패턴을 디자인 하였100 1000Ω Ω

다

선폭3

선폭은 크게 두가지 측면에서 중요한 인자가 된다 선폭이 감소하면 아래 식에서

저항값을 증가시킬 수 있어 표준저항을 높이거나 같은 표준저항에서 소자크기를 작

게 할 수 있다

R = p(LA) ----------(a)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

- 21 -

그러나 선폭이 너무 작아지면 박막의 두께에 의한 효과와 같이 비저항의 감소가 있

을 수 있다5) 본 과제에서는 선폭을 로 변화시켜 본 과제에서 개2 5 10 50

발된 백금박막 증착공정의 적용여부와 온도선형계수를 조사하였다

소자크기4

소자크기는 응답속도와 직접적인 관계를 갖는다 응답속도의 경우 온도센서의 분해

능 안정도 재현성 등과 더불어 온도센서를 평가하는 중요항목 중의 하나이다 일

반적으로 시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된632

다 온도센서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름

속도에 따라 달라지며 다음과 같은 식으로 알려져 있다 826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 열전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정 A

수 값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기뿐만 아니라 기판재료로 열전도가

알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므로 시정(25WmK) (148WmK)

수가 개선될 것으로 생각된다27)

온도안정성5

온도센서 특성중의 하나인 온도안정성은 의 국제규격에 따라 두 가지IEC751 type

으로 정의된다23)

Class A = (015+0002t)士

온도Class B = (030+0003t) t土

- 22 -

대부분의 박막타입의 경우 가 적용되고 있다 본 과제에서 적용된 백금 박class B

막의 경우 상온 증착 후 후열처리를 통해 백금의 입자크기가 의 크기를 갖mm~cm

는 단결정 입자로 구성되어 온도변화에 따른 특성이 매우 양호한hysteresis loop

특성을 가지고 있다 이러한 온도안정성에 영향을 미치는 요인으로는 흡착가스의

영향 백금입자의 입자성장 기판과의 열팽창 계수 차이에서 오는 응력 등이 주요

원인이 된다18) 상기평가항목의 평가 에 맞는 온도센서를 제작하기 위하여 증spec

착공정의 개발 패턴형성공정 개발 및 소자평가등 각각의 항목에 대한 세부내역은

제 절에 나타내었다2

- 23 -

제 절 백금박막 증착공정의 개발2

그림 는 본 과제에 사용된 기의 개략도를 나타내는 그림이다 진공시스4 sputtering

템은 와 로 구성되었으며rotary turbo pump 10-3 까지는 를 사Torr rotary pump

용하고 그 이후는 와 를 사용하여rotary turbo pump 3010-6 까지 반응실의Torr

진공을 유지 할 수 있도록 설계되었다 스퍼터 방식은 하향식이며 기판온도는 SiC

를 이용하여 까지 조절할 수 있다 균일한 증착을 위해 기판의 회전수heater 700

는 으로 조정가능하며 플라즈마 가스는 아르곤을 사용하였다 증착효율을1-20rpm

높이기 위해 타게트 뒷 부위에 영구자석을 설치한 방식을magnetron sputtering

채택하였다 가스압 조절을 위해 사의 사 MKS Baratron gauge Granville-phillips

의 를 사용하였으며 를 이용하여 가스의 유량을 조절vacuum gauge controller MFC

하였다 증착속도와 증착두께는 사의 Sycon Instruments STM-100MF

와 사의 을 이용하여 실측두께와 표시두께를thicknessrate monitor Tencor -stepα

보정하여 측정하였다

그림 본 과제에서 사용된 스퍼터링 시스템의 모식도4

- 24 -

일반적으로 스퍼터링에 사용되는 가스는 타게트 물질과의 반응을 방지하기 위하여

불활성 가스 를 사용한다 금속 타게트와 플라즈마 가스와의 반응을 이(Ar Kr Xe)

용한 에서는 반응가스로reactive sputtering O2를 첨가하기도 한다28) 본 연구에서

는 스퍼터링 가스로 아르곤과 아르곤 산소 가지를 사용하였으며 기판온도는 상온+ 2

으로 고정 시켰다 가스압은 증착 는 증착된 백금 1-22 mTorr power 100-250W

박막의 비저항은 를 이용하여 면저항을 측정한 후 을 이용하4 point probe -stepα

여 측정한 두께를 곱하여 구하였다 기판으로 사용된 실리콘 웨이퍼는 thermal

법으로 의oxidation 15 SiO 2 산화막이 증착된 이다P-type Si(100)

박막증착1

증착은 기판온도 가스압력 증착 뿐만 아니라 챔버의Sputtering power geometry

도 중요한 변수 중의 하나이다 예비 실험결과 아르곤만을 가지고 제작한 온도센서

는 기판과의 부착력이 나쁘고 온도선형성이나 온도저항계수 등 제반 사항이 온도센

서 제작에는 맞지 않은 것으로 판명되었다 또한 본 과제에서 기판과의 열팽창 계

수 차이에서 오는 온도저항계수의 저하를 백금미세구조 제어로 해결하고자 하였다

즉 백금박막의 거대입성장을 유도하여 거대입자로 구성된 온도센서를 제작하였다

거대입성장을 얻기 위한 공정은 기존의 실험결과를 바탕으로 다음과 같은 최적 조

건에서 박막을 증착하였다

표 온도센서 제작을 위한 백금박막의 최적 증착조건6

기판온도 가스비 아르곤 산소( ) 증착압력 증착power 비고

상온 1915(SCCM) 5 mTorr 170W

- 25 -

증착박막의 열처리2

증착된 박막의 열처리는 일반적인 전기로를 사용하였으며 공기중에서 600~1200

영역에서 한 시간 동안 열처리 하였다 열처리 조건에 따른 의 변화에 대한 많 TCR

은 보고가 있으나 본 실험에서는 한 시간으로 고정하였다24-2529) 이는 본 과제에

적용된 거대입성장 백금박막의 경우 시간에 따른 미세구조나 물성 차이를 보이지

않기 때문이었다 또한 백금증착시 산소를 점가하는 경우 백금산화물이 형성되거나

비저항 값이 증가하므로 열처리를 통해 증착 중 첨가된 산소를 박막외부로 확산시

켜야 한다 백금산화물의 경우 반도체 산화물로서 온도저항계수가 음의 값을 갖는

다2430-33) 이러한 산소의 탈착거동을 알아보기 위해 미소열량계를 이용하여 산소의

탈착거동을 관찰하였으며 소광계수의 변화 등을 관찰하였다 소광계수 측정을 위한

박막의 열처리는 진공분위기 에서 써머커플을 기판에 접촉시켜 측정하였(50 mTorr)

다

박막의 물성 측정3

두께 및 비저항 측정3-1

박막의 두께는 사의 을 이용하여 측정하였다 시편에 를 내Tencor -step scratchα

서 박막이 일부를 제거한 후 그 단차를 측정하여 두께를 측정한 후 4-point probe

로 측정한 면저항 값을 곱하여 비저항 값을 얻었다

미세구조 관찰3-2

박막의 입자크기는 이하이므로AS-depo 1000 TEM(Transmission ElectronÅ

관찰을 하였다 슬라이드에 시편을 붙이고 사포를 이용하여 이하Microscopy) 80

까지 연마한 후 하였다 한 시편을 직경 의 에 부착시dimpling dimpling 3 Cu grid

켜 을 하며 이 과정에서 입자충돌에 따른 국부적인 온도상승에 의한 박ion milling

막의 미세구조 변화를 막기 위해 액체질소를 이용하여 냉각하였다 열처리이후에는

를 이용하여 미세구조를 관찰하였다 거대입SEM(Scanning Electron Microscope)

성장의 관찰을 위해서는 광학현미경을 이용하여 입계를 관찰한 후 으로 보다SEM

자세한 입계면과 미세구조를 관찰하였다

결정성 분석3-3

박막의 결정성과 백금산화물의 상형성을 알아보기 위해 정도의 시편을 만1 x1

들어 사의 선 회절기로 을 얻었다 는MAC science X XRD pattern X-ray Cu Ka line

을 사용하였다( =15405 ) λ Å

- 26 -

첨가가스의 탈착 거동3-4

산소가스의 탈착 거동은 미세 열량분석계 와 를 이용하였다(DTA) ellipsometer DTA

는 반응생성물에 따라 계에 출입하는 미세 열량변화를 측정하여 계의 화학 반응온

도 등을 측정할 수 있는 측정 장비이다 는 특수한 광도계 Ellipsometer (

의 하나이며 빛의 편광상태의 변화를 측정하여 표면 및 박막의 구조와photometry)

물성 물질의 광특성 등을 연구하는데 사용되는 정밀 측정 기기이다

시료의 물성과 구조에 따라 반사 또는 투과광의 편광상태는 예민하게 변하므로 편

광상태 변화의 측정 및 분석을 통하여 시료의 물성과 구조에 대한 정보를 정밀하게

얻을 수 있어서 반도체 산업에서 산화막의 두께 및 두께 분포의 측정을 포함하여

박막 등의 분석에 널리 이용되고 있다

최근 반도체 광학재료의 제조 공정에 있어서 공정 제어를 위한 실시간 측정의 필

요성이 증대되고 있다 이에 따라 시료의 표면 상태와 박막의 구조 해석에 뛰어난

능력이 인정된 타원해석기를 이용하는 사례가 증가하고 있다

는 크게 나누어 와 단파장Ellipsometer spectroscopic ellipsometer(SE)

로 나눌 수 있는데 는 구조가 복잡하거나 물성이 알려져 있지 않은ellipsometer SE

시료의 기계적 두께 전자적 흡수단 구조 해석에 유리하지만 증착 에칭 열처리( ) ( )

표면반응 등의 공정 관측에는 거의 연속적인 데이터 획득이 유리한 단파장 타원해

석기가 널이 이용되고 있다 본 과제에서는 반사된 광원의 와 를 측정하 tan cosψ

여 굴절율 과 소광계수 값을 측정하였다(n) (k)

- 27 -

제 절 패턴 제작 공정의 개발3

일반적으로 금속의 저항은 다음의 식으로 표시된다

R = p(LA) -------------- (A)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 단면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

금속의 저항은 위와 같은 형태학적인 변수 외에 온도 등에도 의존하게 되는데 Pt

등의 경우 이러한 금속의 저항이 온도에 대해 선형적으로 증가하는 특Ni Cu W

성을 가지고 있다 이러한 온도저항 특성을 이용하여 주변의 온도를 감지하는 측온

저항체 온도센서로 많이 사용되고 있다 이러한 온도센서는 주변 온도에 대하여 다

음의 관계식을 갖는다

R(T) = R0 + TR0

온도 에서의 저항R(T) T Ro 기준점 에서의 저항 온도선형계수 측정온 (O ) T α

도

물질에 따라 온도선형계수 는 정해져 있으며 형태변수식 에 의한 금속의 저( ) (A)α

항 값이 높을수록 온도변화에 대한 저항변화 값이 증가하여 정확한 온도를 측정할

수 있다 소자의 경향에 따라 작은 크기의 미세소자로 원하는 기능을 輕薄短小化

얻고자 하는 것이 기술적인 경향이다 따라서 박막 기술을 이용한 금속 박막 온도

센서의 제작이 활발히 이루어지고 있으며 일부 제품의 경우 제품화되어 사용되고

있다 금속의 종류에 따라 특성을 나타내기 위한 최소의 박막 두께가 정해지 bulk

며 일정 두께 이하에서는 특성을 나타내지 못하게 된다 따라서 안정한 소자bulk

를 얻기 위해서는 일정 두께 이상의 박막두께가 필요하게 된다5) 백금저항소자의

경우 마이크로미터 이상의 두께가 필요한 것으로 알려져 있다 박막의 두께가10

일정할 때 저항 값의 조절은 패턴의 선폭에 의하여 조절되게 된다 이러한 선폭을

조절하기 위하여 기존에 사용되는 방법은 레이저트리밍 습식 식각 건식 식각 등의

방법이 사용된다 선폭의 조절이나 소자의 열화와 같은 문제가 발생할 수 있다

- 28 -

본 과제에서는 박막형 온도센서 제작에 있어 실리콘 기판위에 절연층의 식각을 통

해 원하는 패턴을 미리 형성하고 금속을 증착하여 온도센서를 제조함으로써 백금박

막의 저항조절을 용이하게 하고 소자의 내구성 향상과 소자크기를 소형화한 온도센

서를 제작하고자 하였다 그림 는 본 과제의 온도센서 제조공정을 나타내는 그림 5

이다 공정의 용이성에 따라 절연막 코팅을 패드보호막 형성 이후에 진행할 수도

있다

그림 당 과제에서 개발한 매립형 백금박막 온도센서 제조공정 모식도 5

- 29 -

제 절 소자 평가4

백금저항 온도센서의 여러 가지 물성 측정은 규정에 따른다KS C 1603-1991 19)

이에 따르면 온도특성 전기적 특성 기계적 특성에 대한 측정으로 크게 구별 될 수

있다 온도특성에는 온도에 대한 허용오차 안정도 자기 가열특성 등이 있으며 전

기적 특성에는 절연저항 내전압 등이 있고 기계적 특성으로는 내충격성과 내진동

성 등의 세부 항목들이 있으며 각각의 특성치를 시험하기 위한 방법이 규정되어 있

다

국제온도눈금 규격 에(ITS-1990 The International Temperature Scale of 1990)

의하면 평형수소의 삼중점 부터 은의 응고점 까지의 영역에서는(138033K) (96178)

에서 정의된 고정점들 사이를 내삽해 주는 기준함수 및 편차함수를 사용ITS-1990

하여 교정된 백금저항온도계에 의해 정의되도록 하고 있다 따라서 온도센서의 검

교정은 사용영역 내에서의 고정점들과 표준온도계의 온도저항 특성을 비교함으로써

얻을 수 있다 본 과제에서는 제작된 온도센서 및 상용센서의 평가를 위해 한국표

준과학연구원의 온도연구실에 있는 장비를 이용하였다 리드선의 저항오차를 최대

한 줄이기 위해 선 결선 방법을 택하였으며 리드선으로 직경 의 백금 선4 02 mm

을 사용하였다 물의 삼중점 주석의 녹는점 아연의 녹는점 등의 고정점 개와 항 3

온조를 이용한 50~ 도 사이의 온도 범위에서 측정점을 정하여 백금표준온도450

저항값과 제작된 온도센서의 저항값을 측정하여 온도선형계수 및 고온에서의 허용

오차 등을 측정하였다 측정조건은 를 사용하여 규정전류 HP 3458 multimeter 1mA

를 회로상에 흐르도록 구성한 뒤 저항값을 소수 째 자리까지 측정하여 유효 숫자4

는 소수 자리까지 사용하였다 일정한 온도를 얻기 위하여 사용되는 항온조는 온3

도영역에 따라 이하의 저온 영역은 알콜 영역에서는 에틸렌 글리0 0~100

콜 은 실리콘 오일을 사용하였으며 원하는 온도에 이른 후 평형을 100~200

위하여 분 이상 기다린 다음 표준저항기와 온도센서의 저항값을 각각 회씩 측30 3

정하여 평균값을 취하였다

- 30 -

에서는 저항기의 기준값으로 를 물의 삼중점 의 저ITS-1990 R (27316K=001 )

항 값으로 취하고 있다 정점의 실현은 녹는점 또는 어는점에서 잠열의 출입과 관

계없이 일정한 온도를 유지하는 특성을 이용한 것으로 녹는점 부근에서의 열량 조

절이 매우 중요하다 주석과 아연의 녹는점 실현을 위한 로는 석영관 내부에 주석

과 아연이 들어 있는 가 있고 표준저항기와 측정하고자 하는 온도센서thermal bath

가 들어가 있는 작은 석영관으로 이루어진 이중 구조로 되어있다 녹는점의 실현

을 위해서는 정밀한 저항 조절을 통한 온도제어가 필요하다 이를 위해 사용되는

기기로는 등이 사용되는데 이는current comparator resistance bridge 10-7 ohm

정도의 저항 조절이 가능한 장비이며 이를 온도로 환산하면 정도의 고정001mK

밀도를 가진다

- 31 -

제 장 기술개발결과3

- 32 -

제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금 박막의 필요성1

백금 박막은 백금 자체의 온도 저항 특성을 이용한 온도센서 및 로서의 응용 heater

과 촉매로서의 활용도 활발하게 이루어지고 있다 박막온도센서로의 응용을 위해서

는 온도변화에 따른 저항 변화계수(Temperature Coefficient of Resistance TCR)

가 중요한데 규정값(38510-3 이상의 을 얻기 위해서는 백금의 두께가 ) TCR 1

이상이 되어야 한다고 알려져 있다 5) 그림 은 백금박막의 두께에 따른 의6 TCR

변화를 나타내는 그림이다 은 두께뿐만 아니라 백금 박막의 미세구조 불순물 TCR

기판의 열팽창 계수 등 여러 가지 요인에 의존한다 이러한 여러 변수 중 두께 및

미세구조 조절은 순도와 함께 최적의 온도 저항 계수를 위한 중요 변수로 작용하는

것으로 알려져 있다18-20)

그림 두께에 따른 온도저항계수의 변화 6 5)

실리콘 기판 위의 백금증착은 앞서 설명한 바와 같이 열팽창 계수의 차이 부착력

문제 등으로 원하는 을 얻기 어렵다 백금의 열팽창 계수는TCR 8910-6 로 경우degc

실리콘에(2610-6 비해 높은 값을 가지며 온도 에서 다음과 같은 저항체 길degC) T

이의 변화를 유발하게 된다

- 33 -

L(T)=L(o)(1+ (Tα t-To)

백금과 기판의 열팽창 계수 차이 온도 Tα

특히 기판의 열팽창 계수가 작으면 백금저항의 감소를 유발하게 되어 저하의 TCR

원인이 된다 따라서 기존 상용제품의 경우 대부분이 백금과 열팽창 계수 차이가

없고 부착력이 좋은 알루미나를 기판재료로 사용하고 있다 본 과제의 거대 입성장

된 백금박막은 이러한 열팽창 계수의 차이에서 오는 부의 효과를 미세구조의 조절

을 통해 극복하고자 하였다

에 영향을 미치는 접착증을 사용하지 않으면서 백금박막의 접착력 증진을 위TCR

한 방법은 기존의 이노스텍 특허 기술을 이용하여 증착할 수 있다36) 이 경우 백금

박막의 미세구조는 그림 과 같이 일반적인 구조의 백금박막을 얻을 수7 columnar

있다 그러나 이 경우 은 TCR 38010-3 정도로 온도센서로 사용가능한 규격 인

38010-3 에 크게 못 미침을 예비 실험을 통하여 알 수 있었다

그림 일반적인 백금박막의 미세구조를 나타내는 전자 현미경 사진 7

- 34 -

또한 승온과 냉각과정에서 같은 온도에서의 저항값이 서로 다른 특성을hysteresis

나타내었다 이는 온도의 상승에 따라 열팽창계수의 차이에 의한 응력이나 접착력

변화에서 기인되는 문제로 생각되었다 백금 박막의 미세구조를 단결정에 가깝게

제작할 수 있다면 입계면에서의 에 기인하는 저항변화 를 제거 할 수scatting factor

있다 본 과제에서는 이를 위하여 백금의 거대입성장 현상을 이용하여 두께 에 1

서 수 의 입자크기를 갖는 백금박막을 온도센서 소자로 사용하였다 거대입mm~cm

성장 박막의 증착 조건 등은 표 에 표시하였다6

- 35 -

거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

- 36 -

그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

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제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

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리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

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그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

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제 장 결론 및 기대효과4

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제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

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당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

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제 장 참고 문헌5

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제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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)

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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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

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16) United States Patent No 4396899(1983)

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and M Y Lee Jpn J Appl Phys 34 5178 (1995)

18) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

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19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

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제 장 기술개발 내용과 방법2

제 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목1

표 개발 기술의 평가방법 및 평가항목 5

온도선형계수1

온도선형계수 는 온도센서의 성능을 구별하기 위해 특정온도 구간에서의 평균기(a)

울기로 정의되며 백금의 경우 사이에서의 평균기울기로 정의된다0-100degC 19-20)

DIN22) IEC23) 등 각국의 공업규격에서는 백금측온 저항체의 경우 값으로a

000385degC-1을 규정하고 있다

=(R(100)-R(0))100R(0)α

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표준기급 백금저항온도계의 온도변환이나 공업용 저항온도계의 보정 시에는 저항의

절대 값보다 기준온도 에 대한 상대 저항비 가 중요하게 되며 상대 저항비(0degC) (W)

값으로 온도를 계산하게 된다 본 과제에서는 업계 최초로 실리콘 기판을 사용하여

공업규격에 맞는 온도선형성을 갖는 백금박막 온도센서를 개발하고자 하였다 현재

까지 국내에서 개발된 백금박막 온도센서의 경우 온도선형계수는 38510-3 미

만으로 알려져 있다24) 기판을 사용한 경우 층을 중간층으로 사용할 경우Si MgO

값이TCR 38510-3 이상 됨을 보고한 바 있으나 상용화 되거나 일반화 되지는

못하고 있다25))

표준저항2

현재까지 가장 많이 사용되고 있는 백금박막 온도센서으 에서의 표준저항은I 0

이다 이는 지금까지의 알루미나 기판에 과 같은 방법으로 제100 screen printingΩ

작되는 온도센서 제작기술로는 백금박막의 선폭을 하로 제작하기 어려워 소100 ol

자크기에 제한이 따르기 때문이다 최근 들어 사진식각공정이나 레이저 트리밍 기

술의 발전에 따라 선폭의 감소가 이루어져 의 표준저항을 갖는 소자500 1000Ω Ω

의 상용화가 시작되고 있다 표준저항이 클수록 온도 변화에 따른 저항변화가 커서

온도분해능이 증가하는 장점이 있다 본 과제에서는 실리콘 기판에 산화막을 형성

하고 산화막에칭을 통해 선폭을 조절하므로 선폭의 조절이 까지 가능sub-micron

하여 표준저항을 용이하게 증가시킬 수 있으나 선폭저하에 따른 물성저하 등을 고

려하여 본 과제에서는 우선 표준저항 을 목표로 패턴을 디자인 하였100 1000Ω Ω

다

선폭3

선폭은 크게 두가지 측면에서 중요한 인자가 된다 선폭이 감소하면 아래 식에서

저항값을 증가시킬 수 있어 표준저항을 높이거나 같은 표준저항에서 소자크기를 작

게 할 수 있다

R = p(LA) ----------(a)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

- 21 -

그러나 선폭이 너무 작아지면 박막의 두께에 의한 효과와 같이 비저항의 감소가 있

을 수 있다5) 본 과제에서는 선폭을 로 변화시켜 본 과제에서 개2 5 10 50

발된 백금박막 증착공정의 적용여부와 온도선형계수를 조사하였다

소자크기4

소자크기는 응답속도와 직접적인 관계를 갖는다 응답속도의 경우 온도센서의 분해

능 안정도 재현성 등과 더불어 온도센서를 평가하는 중요항목 중의 하나이다 일

반적으로 시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된632

다 온도센서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름

속도에 따라 달라지며 다음과 같은 식으로 알려져 있다 826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 열전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정 A

수 값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기뿐만 아니라 기판재료로 열전도가

알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므로 시정(25WmK) (148WmK)

수가 개선될 것으로 생각된다27)

온도안정성5

온도센서 특성중의 하나인 온도안정성은 의 국제규격에 따라 두 가지IEC751 type

으로 정의된다23)

Class A = (015+0002t)士

온도Class B = (030+0003t) t土

- 22 -

대부분의 박막타입의 경우 가 적용되고 있다 본 과제에서 적용된 백금 박class B

막의 경우 상온 증착 후 후열처리를 통해 백금의 입자크기가 의 크기를 갖mm~cm

는 단결정 입자로 구성되어 온도변화에 따른 특성이 매우 양호한hysteresis loop

특성을 가지고 있다 이러한 온도안정성에 영향을 미치는 요인으로는 흡착가스의

영향 백금입자의 입자성장 기판과의 열팽창 계수 차이에서 오는 응력 등이 주요

원인이 된다18) 상기평가항목의 평가 에 맞는 온도센서를 제작하기 위하여 증spec

착공정의 개발 패턴형성공정 개발 및 소자평가등 각각의 항목에 대한 세부내역은

제 절에 나타내었다2

- 23 -

제 절 백금박막 증착공정의 개발2

그림 는 본 과제에 사용된 기의 개략도를 나타내는 그림이다 진공시스4 sputtering

템은 와 로 구성되었으며rotary turbo pump 10-3 까지는 를 사Torr rotary pump

용하고 그 이후는 와 를 사용하여rotary turbo pump 3010-6 까지 반응실의Torr

진공을 유지 할 수 있도록 설계되었다 스퍼터 방식은 하향식이며 기판온도는 SiC

를 이용하여 까지 조절할 수 있다 균일한 증착을 위해 기판의 회전수heater 700

는 으로 조정가능하며 플라즈마 가스는 아르곤을 사용하였다 증착효율을1-20rpm

높이기 위해 타게트 뒷 부위에 영구자석을 설치한 방식을magnetron sputtering

채택하였다 가스압 조절을 위해 사의 사 MKS Baratron gauge Granville-phillips

의 를 사용하였으며 를 이용하여 가스의 유량을 조절vacuum gauge controller MFC

하였다 증착속도와 증착두께는 사의 Sycon Instruments STM-100MF

와 사의 을 이용하여 실측두께와 표시두께를thicknessrate monitor Tencor -stepα

보정하여 측정하였다

그림 본 과제에서 사용된 스퍼터링 시스템의 모식도4

- 24 -

일반적으로 스퍼터링에 사용되는 가스는 타게트 물질과의 반응을 방지하기 위하여

불활성 가스 를 사용한다 금속 타게트와 플라즈마 가스와의 반응을 이(Ar Kr Xe)

용한 에서는 반응가스로reactive sputtering O2를 첨가하기도 한다28) 본 연구에서

는 스퍼터링 가스로 아르곤과 아르곤 산소 가지를 사용하였으며 기판온도는 상온+ 2

으로 고정 시켰다 가스압은 증착 는 증착된 백금 1-22 mTorr power 100-250W

박막의 비저항은 를 이용하여 면저항을 측정한 후 을 이용하4 point probe -stepα

여 측정한 두께를 곱하여 구하였다 기판으로 사용된 실리콘 웨이퍼는 thermal

법으로 의oxidation 15 SiO 2 산화막이 증착된 이다P-type Si(100)

박막증착1

증착은 기판온도 가스압력 증착 뿐만 아니라 챔버의Sputtering power geometry

도 중요한 변수 중의 하나이다 예비 실험결과 아르곤만을 가지고 제작한 온도센서

는 기판과의 부착력이 나쁘고 온도선형성이나 온도저항계수 등 제반 사항이 온도센

서 제작에는 맞지 않은 것으로 판명되었다 또한 본 과제에서 기판과의 열팽창 계

수 차이에서 오는 온도저항계수의 저하를 백금미세구조 제어로 해결하고자 하였다

즉 백금박막의 거대입성장을 유도하여 거대입자로 구성된 온도센서를 제작하였다

거대입성장을 얻기 위한 공정은 기존의 실험결과를 바탕으로 다음과 같은 최적 조

건에서 박막을 증착하였다

표 온도센서 제작을 위한 백금박막의 최적 증착조건6

기판온도 가스비 아르곤 산소( ) 증착압력 증착power 비고

상온 1915(SCCM) 5 mTorr 170W

- 25 -

증착박막의 열처리2

증착된 박막의 열처리는 일반적인 전기로를 사용하였으며 공기중에서 600~1200

영역에서 한 시간 동안 열처리 하였다 열처리 조건에 따른 의 변화에 대한 많 TCR

은 보고가 있으나 본 실험에서는 한 시간으로 고정하였다24-2529) 이는 본 과제에

적용된 거대입성장 백금박막의 경우 시간에 따른 미세구조나 물성 차이를 보이지

않기 때문이었다 또한 백금증착시 산소를 점가하는 경우 백금산화물이 형성되거나

비저항 값이 증가하므로 열처리를 통해 증착 중 첨가된 산소를 박막외부로 확산시

켜야 한다 백금산화물의 경우 반도체 산화물로서 온도저항계수가 음의 값을 갖는

다2430-33) 이러한 산소의 탈착거동을 알아보기 위해 미소열량계를 이용하여 산소의

탈착거동을 관찰하였으며 소광계수의 변화 등을 관찰하였다 소광계수 측정을 위한

박막의 열처리는 진공분위기 에서 써머커플을 기판에 접촉시켜 측정하였(50 mTorr)

다

박막의 물성 측정3

두께 및 비저항 측정3-1

박막의 두께는 사의 을 이용하여 측정하였다 시편에 를 내Tencor -step scratchα

서 박막이 일부를 제거한 후 그 단차를 측정하여 두께를 측정한 후 4-point probe

로 측정한 면저항 값을 곱하여 비저항 값을 얻었다

미세구조 관찰3-2

박막의 입자크기는 이하이므로AS-depo 1000 TEM(Transmission ElectronÅ

관찰을 하였다 슬라이드에 시편을 붙이고 사포를 이용하여 이하Microscopy) 80

까지 연마한 후 하였다 한 시편을 직경 의 에 부착시dimpling dimpling 3 Cu grid

켜 을 하며 이 과정에서 입자충돌에 따른 국부적인 온도상승에 의한 박ion milling

막의 미세구조 변화를 막기 위해 액체질소를 이용하여 냉각하였다 열처리이후에는

를 이용하여 미세구조를 관찰하였다 거대입SEM(Scanning Electron Microscope)

성장의 관찰을 위해서는 광학현미경을 이용하여 입계를 관찰한 후 으로 보다SEM

자세한 입계면과 미세구조를 관찰하였다

결정성 분석3-3

박막의 결정성과 백금산화물의 상형성을 알아보기 위해 정도의 시편을 만1 x1

들어 사의 선 회절기로 을 얻었다 는MAC science X XRD pattern X-ray Cu Ka line

을 사용하였다( =15405 ) λ Å

- 26 -

첨가가스의 탈착 거동3-4

산소가스의 탈착 거동은 미세 열량분석계 와 를 이용하였다(DTA) ellipsometer DTA

는 반응생성물에 따라 계에 출입하는 미세 열량변화를 측정하여 계의 화학 반응온

도 등을 측정할 수 있는 측정 장비이다 는 특수한 광도계 Ellipsometer (

의 하나이며 빛의 편광상태의 변화를 측정하여 표면 및 박막의 구조와photometry)

물성 물질의 광특성 등을 연구하는데 사용되는 정밀 측정 기기이다

시료의 물성과 구조에 따라 반사 또는 투과광의 편광상태는 예민하게 변하므로 편

광상태 변화의 측정 및 분석을 통하여 시료의 물성과 구조에 대한 정보를 정밀하게

얻을 수 있어서 반도체 산업에서 산화막의 두께 및 두께 분포의 측정을 포함하여

박막 등의 분석에 널리 이용되고 있다

최근 반도체 광학재료의 제조 공정에 있어서 공정 제어를 위한 실시간 측정의 필

요성이 증대되고 있다 이에 따라 시료의 표면 상태와 박막의 구조 해석에 뛰어난

능력이 인정된 타원해석기를 이용하는 사례가 증가하고 있다

는 크게 나누어 와 단파장Ellipsometer spectroscopic ellipsometer(SE)

로 나눌 수 있는데 는 구조가 복잡하거나 물성이 알려져 있지 않은ellipsometer SE

시료의 기계적 두께 전자적 흡수단 구조 해석에 유리하지만 증착 에칭 열처리( ) ( )

표면반응 등의 공정 관측에는 거의 연속적인 데이터 획득이 유리한 단파장 타원해

석기가 널이 이용되고 있다 본 과제에서는 반사된 광원의 와 를 측정하 tan cosψ

여 굴절율 과 소광계수 값을 측정하였다(n) (k)

- 27 -

제 절 패턴 제작 공정의 개발3

일반적으로 금속의 저항은 다음의 식으로 표시된다

R = p(LA) -------------- (A)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 단면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

금속의 저항은 위와 같은 형태학적인 변수 외에 온도 등에도 의존하게 되는데 Pt

등의 경우 이러한 금속의 저항이 온도에 대해 선형적으로 증가하는 특Ni Cu W

성을 가지고 있다 이러한 온도저항 특성을 이용하여 주변의 온도를 감지하는 측온

저항체 온도센서로 많이 사용되고 있다 이러한 온도센서는 주변 온도에 대하여 다

음의 관계식을 갖는다

R(T) = R0 + TR0

온도 에서의 저항R(T) T Ro 기준점 에서의 저항 온도선형계수 측정온 (O ) T α

도

물질에 따라 온도선형계수 는 정해져 있으며 형태변수식 에 의한 금속의 저( ) (A)α

항 값이 높을수록 온도변화에 대한 저항변화 값이 증가하여 정확한 온도를 측정할

수 있다 소자의 경향에 따라 작은 크기의 미세소자로 원하는 기능을 輕薄短小化

얻고자 하는 것이 기술적인 경향이다 따라서 박막 기술을 이용한 금속 박막 온도

센서의 제작이 활발히 이루어지고 있으며 일부 제품의 경우 제품화되어 사용되고

있다 금속의 종류에 따라 특성을 나타내기 위한 최소의 박막 두께가 정해지 bulk

며 일정 두께 이하에서는 특성을 나타내지 못하게 된다 따라서 안정한 소자bulk

를 얻기 위해서는 일정 두께 이상의 박막두께가 필요하게 된다5) 백금저항소자의

경우 마이크로미터 이상의 두께가 필요한 것으로 알려져 있다 박막의 두께가10

일정할 때 저항 값의 조절은 패턴의 선폭에 의하여 조절되게 된다 이러한 선폭을

조절하기 위하여 기존에 사용되는 방법은 레이저트리밍 습식 식각 건식 식각 등의

방법이 사용된다 선폭의 조절이나 소자의 열화와 같은 문제가 발생할 수 있다

- 28 -

본 과제에서는 박막형 온도센서 제작에 있어 실리콘 기판위에 절연층의 식각을 통

해 원하는 패턴을 미리 형성하고 금속을 증착하여 온도센서를 제조함으로써 백금박

막의 저항조절을 용이하게 하고 소자의 내구성 향상과 소자크기를 소형화한 온도센

서를 제작하고자 하였다 그림 는 본 과제의 온도센서 제조공정을 나타내는 그림 5

이다 공정의 용이성에 따라 절연막 코팅을 패드보호막 형성 이후에 진행할 수도

있다

그림 당 과제에서 개발한 매립형 백금박막 온도센서 제조공정 모식도 5

- 29 -

제 절 소자 평가4

백금저항 온도센서의 여러 가지 물성 측정은 규정에 따른다KS C 1603-1991 19)

이에 따르면 온도특성 전기적 특성 기계적 특성에 대한 측정으로 크게 구별 될 수

있다 온도특성에는 온도에 대한 허용오차 안정도 자기 가열특성 등이 있으며 전

기적 특성에는 절연저항 내전압 등이 있고 기계적 특성으로는 내충격성과 내진동

성 등의 세부 항목들이 있으며 각각의 특성치를 시험하기 위한 방법이 규정되어 있

다

국제온도눈금 규격 에(ITS-1990 The International Temperature Scale of 1990)

의하면 평형수소의 삼중점 부터 은의 응고점 까지의 영역에서는(138033K) (96178)

에서 정의된 고정점들 사이를 내삽해 주는 기준함수 및 편차함수를 사용ITS-1990

하여 교정된 백금저항온도계에 의해 정의되도록 하고 있다 따라서 온도센서의 검

교정은 사용영역 내에서의 고정점들과 표준온도계의 온도저항 특성을 비교함으로써

얻을 수 있다 본 과제에서는 제작된 온도센서 및 상용센서의 평가를 위해 한국표

준과학연구원의 온도연구실에 있는 장비를 이용하였다 리드선의 저항오차를 최대

한 줄이기 위해 선 결선 방법을 택하였으며 리드선으로 직경 의 백금 선4 02 mm

을 사용하였다 물의 삼중점 주석의 녹는점 아연의 녹는점 등의 고정점 개와 항 3

온조를 이용한 50~ 도 사이의 온도 범위에서 측정점을 정하여 백금표준온도450

저항값과 제작된 온도센서의 저항값을 측정하여 온도선형계수 및 고온에서의 허용

오차 등을 측정하였다 측정조건은 를 사용하여 규정전류 HP 3458 multimeter 1mA

를 회로상에 흐르도록 구성한 뒤 저항값을 소수 째 자리까지 측정하여 유효 숫자4

는 소수 자리까지 사용하였다 일정한 온도를 얻기 위하여 사용되는 항온조는 온3

도영역에 따라 이하의 저온 영역은 알콜 영역에서는 에틸렌 글리0 0~100

콜 은 실리콘 오일을 사용하였으며 원하는 온도에 이른 후 평형을 100~200

위하여 분 이상 기다린 다음 표준저항기와 온도센서의 저항값을 각각 회씩 측30 3

정하여 평균값을 취하였다

- 30 -

에서는 저항기의 기준값으로 를 물의 삼중점 의 저ITS-1990 R (27316K=001 )

항 값으로 취하고 있다 정점의 실현은 녹는점 또는 어는점에서 잠열의 출입과 관

계없이 일정한 온도를 유지하는 특성을 이용한 것으로 녹는점 부근에서의 열량 조

절이 매우 중요하다 주석과 아연의 녹는점 실현을 위한 로는 석영관 내부에 주석

과 아연이 들어 있는 가 있고 표준저항기와 측정하고자 하는 온도센서thermal bath

가 들어가 있는 작은 석영관으로 이루어진 이중 구조로 되어있다 녹는점의 실현

을 위해서는 정밀한 저항 조절을 통한 온도제어가 필요하다 이를 위해 사용되는

기기로는 등이 사용되는데 이는current comparator resistance bridge 10-7 ohm

정도의 저항 조절이 가능한 장비이며 이를 온도로 환산하면 정도의 고정001mK

밀도를 가진다

- 31 -

제 장 기술개발결과3

- 32 -

제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금 박막의 필요성1

백금 박막은 백금 자체의 온도 저항 특성을 이용한 온도센서 및 로서의 응용 heater

과 촉매로서의 활용도 활발하게 이루어지고 있다 박막온도센서로의 응용을 위해서

는 온도변화에 따른 저항 변화계수(Temperature Coefficient of Resistance TCR)

가 중요한데 규정값(38510-3 이상의 을 얻기 위해서는 백금의 두께가 ) TCR 1

이상이 되어야 한다고 알려져 있다 5) 그림 은 백금박막의 두께에 따른 의6 TCR

변화를 나타내는 그림이다 은 두께뿐만 아니라 백금 박막의 미세구조 불순물 TCR

기판의 열팽창 계수 등 여러 가지 요인에 의존한다 이러한 여러 변수 중 두께 및

미세구조 조절은 순도와 함께 최적의 온도 저항 계수를 위한 중요 변수로 작용하는

것으로 알려져 있다18-20)

그림 두께에 따른 온도저항계수의 변화 6 5)

실리콘 기판 위의 백금증착은 앞서 설명한 바와 같이 열팽창 계수의 차이 부착력

문제 등으로 원하는 을 얻기 어렵다 백금의 열팽창 계수는TCR 8910-6 로 경우degc

실리콘에(2610-6 비해 높은 값을 가지며 온도 에서 다음과 같은 저항체 길degC) T

이의 변화를 유발하게 된다

- 33 -

L(T)=L(o)(1+ (Tα t-To)

백금과 기판의 열팽창 계수 차이 온도 Tα

특히 기판의 열팽창 계수가 작으면 백금저항의 감소를 유발하게 되어 저하의 TCR

원인이 된다 따라서 기존 상용제품의 경우 대부분이 백금과 열팽창 계수 차이가

없고 부착력이 좋은 알루미나를 기판재료로 사용하고 있다 본 과제의 거대 입성장

된 백금박막은 이러한 열팽창 계수의 차이에서 오는 부의 효과를 미세구조의 조절

을 통해 극복하고자 하였다

에 영향을 미치는 접착증을 사용하지 않으면서 백금박막의 접착력 증진을 위TCR

한 방법은 기존의 이노스텍 특허 기술을 이용하여 증착할 수 있다36) 이 경우 백금

박막의 미세구조는 그림 과 같이 일반적인 구조의 백금박막을 얻을 수7 columnar

있다 그러나 이 경우 은 TCR 38010-3 정도로 온도센서로 사용가능한 규격 인

38010-3 에 크게 못 미침을 예비 실험을 통하여 알 수 있었다

그림 일반적인 백금박막의 미세구조를 나타내는 전자 현미경 사진 7

- 34 -

또한 승온과 냉각과정에서 같은 온도에서의 저항값이 서로 다른 특성을hysteresis

나타내었다 이는 온도의 상승에 따라 열팽창계수의 차이에 의한 응력이나 접착력

변화에서 기인되는 문제로 생각되었다 백금 박막의 미세구조를 단결정에 가깝게

제작할 수 있다면 입계면에서의 에 기인하는 저항변화 를 제거 할 수scatting factor

있다 본 과제에서는 이를 위하여 백금의 거대입성장 현상을 이용하여 두께 에 1

서 수 의 입자크기를 갖는 백금박막을 온도센서 소자로 사용하였다 거대입mm~cm

성장 박막의 증착 조건 등은 표 에 표시하였다6

- 35 -

거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

- 36 -

그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 20 -

표준기급 백금저항온도계의 온도변환이나 공업용 저항온도계의 보정 시에는 저항의

절대 값보다 기준온도 에 대한 상대 저항비 가 중요하게 되며 상대 저항비(0degC) (W)

값으로 온도를 계산하게 된다 본 과제에서는 업계 최초로 실리콘 기판을 사용하여

공업규격에 맞는 온도선형성을 갖는 백금박막 온도센서를 개발하고자 하였다 현재

까지 국내에서 개발된 백금박막 온도센서의 경우 온도선형계수는 38510-3 미

만으로 알려져 있다24) 기판을 사용한 경우 층을 중간층으로 사용할 경우Si MgO

값이TCR 38510-3 이상 됨을 보고한 바 있으나 상용화 되거나 일반화 되지는

못하고 있다25))

표준저항2

현재까지 가장 많이 사용되고 있는 백금박막 온도센서으 에서의 표준저항은I 0

이다 이는 지금까지의 알루미나 기판에 과 같은 방법으로 제100 screen printingΩ

작되는 온도센서 제작기술로는 백금박막의 선폭을 하로 제작하기 어려워 소100 ol

자크기에 제한이 따르기 때문이다 최근 들어 사진식각공정이나 레이저 트리밍 기

술의 발전에 따라 선폭의 감소가 이루어져 의 표준저항을 갖는 소자500 1000Ω Ω

의 상용화가 시작되고 있다 표준저항이 클수록 온도 변화에 따른 저항변화가 커서

온도분해능이 증가하는 장점이 있다 본 과제에서는 실리콘 기판에 산화막을 형성

하고 산화막에칭을 통해 선폭을 조절하므로 선폭의 조절이 까지 가능sub-micron

하여 표준저항을 용이하게 증가시킬 수 있으나 선폭저하에 따른 물성저하 등을 고

려하여 본 과제에서는 우선 표준저항 을 목표로 패턴을 디자인 하였100 1000Ω Ω

다

선폭3

선폭은 크게 두가지 측면에서 중요한 인자가 된다 선폭이 감소하면 아래 식에서

저항값을 증가시킬 수 있어 표준저항을 높이거나 같은 표준저항에서 소자크기를 작

게 할 수 있다

R = p(LA) ----------(a)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

- 21 -

그러나 선폭이 너무 작아지면 박막의 두께에 의한 효과와 같이 비저항의 감소가 있

을 수 있다5) 본 과제에서는 선폭을 로 변화시켜 본 과제에서 개2 5 10 50

발된 백금박막 증착공정의 적용여부와 온도선형계수를 조사하였다

소자크기4

소자크기는 응답속도와 직접적인 관계를 갖는다 응답속도의 경우 온도센서의 분해

능 안정도 재현성 등과 더불어 온도센서를 평가하는 중요항목 중의 하나이다 일

반적으로 시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된632

다 온도센서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름

속도에 따라 달라지며 다음과 같은 식으로 알려져 있다 826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 열전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정 A

수 값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기뿐만 아니라 기판재료로 열전도가

알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므로 시정(25WmK) (148WmK)

수가 개선될 것으로 생각된다27)

온도안정성5

온도센서 특성중의 하나인 온도안정성은 의 국제규격에 따라 두 가지IEC751 type

으로 정의된다23)

Class A = (015+0002t)士

온도Class B = (030+0003t) t土

- 22 -

대부분의 박막타입의 경우 가 적용되고 있다 본 과제에서 적용된 백금 박class B

막의 경우 상온 증착 후 후열처리를 통해 백금의 입자크기가 의 크기를 갖mm~cm

는 단결정 입자로 구성되어 온도변화에 따른 특성이 매우 양호한hysteresis loop

특성을 가지고 있다 이러한 온도안정성에 영향을 미치는 요인으로는 흡착가스의

영향 백금입자의 입자성장 기판과의 열팽창 계수 차이에서 오는 응력 등이 주요

원인이 된다18) 상기평가항목의 평가 에 맞는 온도센서를 제작하기 위하여 증spec

착공정의 개발 패턴형성공정 개발 및 소자평가등 각각의 항목에 대한 세부내역은

제 절에 나타내었다2

- 23 -

제 절 백금박막 증착공정의 개발2

그림 는 본 과제에 사용된 기의 개략도를 나타내는 그림이다 진공시스4 sputtering

템은 와 로 구성되었으며rotary turbo pump 10-3 까지는 를 사Torr rotary pump

용하고 그 이후는 와 를 사용하여rotary turbo pump 3010-6 까지 반응실의Torr

진공을 유지 할 수 있도록 설계되었다 스퍼터 방식은 하향식이며 기판온도는 SiC

를 이용하여 까지 조절할 수 있다 균일한 증착을 위해 기판의 회전수heater 700

는 으로 조정가능하며 플라즈마 가스는 아르곤을 사용하였다 증착효율을1-20rpm

높이기 위해 타게트 뒷 부위에 영구자석을 설치한 방식을magnetron sputtering

채택하였다 가스압 조절을 위해 사의 사 MKS Baratron gauge Granville-phillips

의 를 사용하였으며 를 이용하여 가스의 유량을 조절vacuum gauge controller MFC

하였다 증착속도와 증착두께는 사의 Sycon Instruments STM-100MF

와 사의 을 이용하여 실측두께와 표시두께를thicknessrate monitor Tencor -stepα

보정하여 측정하였다

그림 본 과제에서 사용된 스퍼터링 시스템의 모식도4

- 24 -

일반적으로 스퍼터링에 사용되는 가스는 타게트 물질과의 반응을 방지하기 위하여

불활성 가스 를 사용한다 금속 타게트와 플라즈마 가스와의 반응을 이(Ar Kr Xe)

용한 에서는 반응가스로reactive sputtering O2를 첨가하기도 한다28) 본 연구에서

는 스퍼터링 가스로 아르곤과 아르곤 산소 가지를 사용하였으며 기판온도는 상온+ 2

으로 고정 시켰다 가스압은 증착 는 증착된 백금 1-22 mTorr power 100-250W

박막의 비저항은 를 이용하여 면저항을 측정한 후 을 이용하4 point probe -stepα

여 측정한 두께를 곱하여 구하였다 기판으로 사용된 실리콘 웨이퍼는 thermal

법으로 의oxidation 15 SiO 2 산화막이 증착된 이다P-type Si(100)

박막증착1

증착은 기판온도 가스압력 증착 뿐만 아니라 챔버의Sputtering power geometry

도 중요한 변수 중의 하나이다 예비 실험결과 아르곤만을 가지고 제작한 온도센서

는 기판과의 부착력이 나쁘고 온도선형성이나 온도저항계수 등 제반 사항이 온도센

서 제작에는 맞지 않은 것으로 판명되었다 또한 본 과제에서 기판과의 열팽창 계

수 차이에서 오는 온도저항계수의 저하를 백금미세구조 제어로 해결하고자 하였다

즉 백금박막의 거대입성장을 유도하여 거대입자로 구성된 온도센서를 제작하였다

거대입성장을 얻기 위한 공정은 기존의 실험결과를 바탕으로 다음과 같은 최적 조

건에서 박막을 증착하였다

표 온도센서 제작을 위한 백금박막의 최적 증착조건6

기판온도 가스비 아르곤 산소( ) 증착압력 증착power 비고

상온 1915(SCCM) 5 mTorr 170W

- 25 -

증착박막의 열처리2

증착된 박막의 열처리는 일반적인 전기로를 사용하였으며 공기중에서 600~1200

영역에서 한 시간 동안 열처리 하였다 열처리 조건에 따른 의 변화에 대한 많 TCR

은 보고가 있으나 본 실험에서는 한 시간으로 고정하였다24-2529) 이는 본 과제에

적용된 거대입성장 백금박막의 경우 시간에 따른 미세구조나 물성 차이를 보이지

않기 때문이었다 또한 백금증착시 산소를 점가하는 경우 백금산화물이 형성되거나

비저항 값이 증가하므로 열처리를 통해 증착 중 첨가된 산소를 박막외부로 확산시

켜야 한다 백금산화물의 경우 반도체 산화물로서 온도저항계수가 음의 값을 갖는

다2430-33) 이러한 산소의 탈착거동을 알아보기 위해 미소열량계를 이용하여 산소의

탈착거동을 관찰하였으며 소광계수의 변화 등을 관찰하였다 소광계수 측정을 위한

박막의 열처리는 진공분위기 에서 써머커플을 기판에 접촉시켜 측정하였(50 mTorr)

다

박막의 물성 측정3

두께 및 비저항 측정3-1

박막의 두께는 사의 을 이용하여 측정하였다 시편에 를 내Tencor -step scratchα

서 박막이 일부를 제거한 후 그 단차를 측정하여 두께를 측정한 후 4-point probe

로 측정한 면저항 값을 곱하여 비저항 값을 얻었다

미세구조 관찰3-2

박막의 입자크기는 이하이므로AS-depo 1000 TEM(Transmission ElectronÅ

관찰을 하였다 슬라이드에 시편을 붙이고 사포를 이용하여 이하Microscopy) 80

까지 연마한 후 하였다 한 시편을 직경 의 에 부착시dimpling dimpling 3 Cu grid

켜 을 하며 이 과정에서 입자충돌에 따른 국부적인 온도상승에 의한 박ion milling

막의 미세구조 변화를 막기 위해 액체질소를 이용하여 냉각하였다 열처리이후에는

를 이용하여 미세구조를 관찰하였다 거대입SEM(Scanning Electron Microscope)

성장의 관찰을 위해서는 광학현미경을 이용하여 입계를 관찰한 후 으로 보다SEM

자세한 입계면과 미세구조를 관찰하였다

결정성 분석3-3

박막의 결정성과 백금산화물의 상형성을 알아보기 위해 정도의 시편을 만1 x1

들어 사의 선 회절기로 을 얻었다 는MAC science X XRD pattern X-ray Cu Ka line

을 사용하였다( =15405 ) λ Å

- 26 -

첨가가스의 탈착 거동3-4

산소가스의 탈착 거동은 미세 열량분석계 와 를 이용하였다(DTA) ellipsometer DTA

는 반응생성물에 따라 계에 출입하는 미세 열량변화를 측정하여 계의 화학 반응온

도 등을 측정할 수 있는 측정 장비이다 는 특수한 광도계 Ellipsometer (

의 하나이며 빛의 편광상태의 변화를 측정하여 표면 및 박막의 구조와photometry)

물성 물질의 광특성 등을 연구하는데 사용되는 정밀 측정 기기이다

시료의 물성과 구조에 따라 반사 또는 투과광의 편광상태는 예민하게 변하므로 편

광상태 변화의 측정 및 분석을 통하여 시료의 물성과 구조에 대한 정보를 정밀하게

얻을 수 있어서 반도체 산업에서 산화막의 두께 및 두께 분포의 측정을 포함하여

박막 등의 분석에 널리 이용되고 있다

최근 반도체 광학재료의 제조 공정에 있어서 공정 제어를 위한 실시간 측정의 필

요성이 증대되고 있다 이에 따라 시료의 표면 상태와 박막의 구조 해석에 뛰어난

능력이 인정된 타원해석기를 이용하는 사례가 증가하고 있다

는 크게 나누어 와 단파장Ellipsometer spectroscopic ellipsometer(SE)

로 나눌 수 있는데 는 구조가 복잡하거나 물성이 알려져 있지 않은ellipsometer SE

시료의 기계적 두께 전자적 흡수단 구조 해석에 유리하지만 증착 에칭 열처리( ) ( )

표면반응 등의 공정 관측에는 거의 연속적인 데이터 획득이 유리한 단파장 타원해

석기가 널이 이용되고 있다 본 과제에서는 반사된 광원의 와 를 측정하 tan cosψ

여 굴절율 과 소광계수 값을 측정하였다(n) (k)

- 27 -

제 절 패턴 제작 공정의 개발3

일반적으로 금속의 저항은 다음의 식으로 표시된다

R = p(LA) -------------- (A)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 단면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

금속의 저항은 위와 같은 형태학적인 변수 외에 온도 등에도 의존하게 되는데 Pt

등의 경우 이러한 금속의 저항이 온도에 대해 선형적으로 증가하는 특Ni Cu W

성을 가지고 있다 이러한 온도저항 특성을 이용하여 주변의 온도를 감지하는 측온

저항체 온도센서로 많이 사용되고 있다 이러한 온도센서는 주변 온도에 대하여 다

음의 관계식을 갖는다

R(T) = R0 + TR0

온도 에서의 저항R(T) T Ro 기준점 에서의 저항 온도선형계수 측정온 (O ) T α

도

물질에 따라 온도선형계수 는 정해져 있으며 형태변수식 에 의한 금속의 저( ) (A)α

항 값이 높을수록 온도변화에 대한 저항변화 값이 증가하여 정확한 온도를 측정할

수 있다 소자의 경향에 따라 작은 크기의 미세소자로 원하는 기능을 輕薄短小化

얻고자 하는 것이 기술적인 경향이다 따라서 박막 기술을 이용한 금속 박막 온도

센서의 제작이 활발히 이루어지고 있으며 일부 제품의 경우 제품화되어 사용되고

있다 금속의 종류에 따라 특성을 나타내기 위한 최소의 박막 두께가 정해지 bulk

며 일정 두께 이하에서는 특성을 나타내지 못하게 된다 따라서 안정한 소자bulk

를 얻기 위해서는 일정 두께 이상의 박막두께가 필요하게 된다5) 백금저항소자의

경우 마이크로미터 이상의 두께가 필요한 것으로 알려져 있다 박막의 두께가10

일정할 때 저항 값의 조절은 패턴의 선폭에 의하여 조절되게 된다 이러한 선폭을

조절하기 위하여 기존에 사용되는 방법은 레이저트리밍 습식 식각 건식 식각 등의

방법이 사용된다 선폭의 조절이나 소자의 열화와 같은 문제가 발생할 수 있다

- 28 -

본 과제에서는 박막형 온도센서 제작에 있어 실리콘 기판위에 절연층의 식각을 통

해 원하는 패턴을 미리 형성하고 금속을 증착하여 온도센서를 제조함으로써 백금박

막의 저항조절을 용이하게 하고 소자의 내구성 향상과 소자크기를 소형화한 온도센

서를 제작하고자 하였다 그림 는 본 과제의 온도센서 제조공정을 나타내는 그림 5

이다 공정의 용이성에 따라 절연막 코팅을 패드보호막 형성 이후에 진행할 수도

있다

그림 당 과제에서 개발한 매립형 백금박막 온도센서 제조공정 모식도 5

- 29 -

제 절 소자 평가4

백금저항 온도센서의 여러 가지 물성 측정은 규정에 따른다KS C 1603-1991 19)

이에 따르면 온도특성 전기적 특성 기계적 특성에 대한 측정으로 크게 구별 될 수

있다 온도특성에는 온도에 대한 허용오차 안정도 자기 가열특성 등이 있으며 전

기적 특성에는 절연저항 내전압 등이 있고 기계적 특성으로는 내충격성과 내진동

성 등의 세부 항목들이 있으며 각각의 특성치를 시험하기 위한 방법이 규정되어 있

다

국제온도눈금 규격 에(ITS-1990 The International Temperature Scale of 1990)

의하면 평형수소의 삼중점 부터 은의 응고점 까지의 영역에서는(138033K) (96178)

에서 정의된 고정점들 사이를 내삽해 주는 기준함수 및 편차함수를 사용ITS-1990

하여 교정된 백금저항온도계에 의해 정의되도록 하고 있다 따라서 온도센서의 검

교정은 사용영역 내에서의 고정점들과 표준온도계의 온도저항 특성을 비교함으로써

얻을 수 있다 본 과제에서는 제작된 온도센서 및 상용센서의 평가를 위해 한국표

준과학연구원의 온도연구실에 있는 장비를 이용하였다 리드선의 저항오차를 최대

한 줄이기 위해 선 결선 방법을 택하였으며 리드선으로 직경 의 백금 선4 02 mm

을 사용하였다 물의 삼중점 주석의 녹는점 아연의 녹는점 등의 고정점 개와 항 3

온조를 이용한 50~ 도 사이의 온도 범위에서 측정점을 정하여 백금표준온도450

저항값과 제작된 온도센서의 저항값을 측정하여 온도선형계수 및 고온에서의 허용

오차 등을 측정하였다 측정조건은 를 사용하여 규정전류 HP 3458 multimeter 1mA

를 회로상에 흐르도록 구성한 뒤 저항값을 소수 째 자리까지 측정하여 유효 숫자4

는 소수 자리까지 사용하였다 일정한 온도를 얻기 위하여 사용되는 항온조는 온3

도영역에 따라 이하의 저온 영역은 알콜 영역에서는 에틸렌 글리0 0~100

콜 은 실리콘 오일을 사용하였으며 원하는 온도에 이른 후 평형을 100~200

위하여 분 이상 기다린 다음 표준저항기와 온도센서의 저항값을 각각 회씩 측30 3

정하여 평균값을 취하였다

- 30 -

에서는 저항기의 기준값으로 를 물의 삼중점 의 저ITS-1990 R (27316K=001 )

항 값으로 취하고 있다 정점의 실현은 녹는점 또는 어는점에서 잠열의 출입과 관

계없이 일정한 온도를 유지하는 특성을 이용한 것으로 녹는점 부근에서의 열량 조

절이 매우 중요하다 주석과 아연의 녹는점 실현을 위한 로는 석영관 내부에 주석

과 아연이 들어 있는 가 있고 표준저항기와 측정하고자 하는 온도센서thermal bath

가 들어가 있는 작은 석영관으로 이루어진 이중 구조로 되어있다 녹는점의 실현

을 위해서는 정밀한 저항 조절을 통한 온도제어가 필요하다 이를 위해 사용되는

기기로는 등이 사용되는데 이는current comparator resistance bridge 10-7 ohm

정도의 저항 조절이 가능한 장비이며 이를 온도로 환산하면 정도의 고정001mK

밀도를 가진다

- 31 -

제 장 기술개발결과3

- 32 -

제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금 박막의 필요성1

백금 박막은 백금 자체의 온도 저항 특성을 이용한 온도센서 및 로서의 응용 heater

과 촉매로서의 활용도 활발하게 이루어지고 있다 박막온도센서로의 응용을 위해서

는 온도변화에 따른 저항 변화계수(Temperature Coefficient of Resistance TCR)

가 중요한데 규정값(38510-3 이상의 을 얻기 위해서는 백금의 두께가 ) TCR 1

이상이 되어야 한다고 알려져 있다 5) 그림 은 백금박막의 두께에 따른 의6 TCR

변화를 나타내는 그림이다 은 두께뿐만 아니라 백금 박막의 미세구조 불순물 TCR

기판의 열팽창 계수 등 여러 가지 요인에 의존한다 이러한 여러 변수 중 두께 및

미세구조 조절은 순도와 함께 최적의 온도 저항 계수를 위한 중요 변수로 작용하는

것으로 알려져 있다18-20)

그림 두께에 따른 온도저항계수의 변화 6 5)

실리콘 기판 위의 백금증착은 앞서 설명한 바와 같이 열팽창 계수의 차이 부착력

문제 등으로 원하는 을 얻기 어렵다 백금의 열팽창 계수는TCR 8910-6 로 경우degc

실리콘에(2610-6 비해 높은 값을 가지며 온도 에서 다음과 같은 저항체 길degC) T

이의 변화를 유발하게 된다

- 33 -

L(T)=L(o)(1+ (Tα t-To)

백금과 기판의 열팽창 계수 차이 온도 Tα

특히 기판의 열팽창 계수가 작으면 백금저항의 감소를 유발하게 되어 저하의 TCR

원인이 된다 따라서 기존 상용제품의 경우 대부분이 백금과 열팽창 계수 차이가

없고 부착력이 좋은 알루미나를 기판재료로 사용하고 있다 본 과제의 거대 입성장

된 백금박막은 이러한 열팽창 계수의 차이에서 오는 부의 효과를 미세구조의 조절

을 통해 극복하고자 하였다

에 영향을 미치는 접착증을 사용하지 않으면서 백금박막의 접착력 증진을 위TCR

한 방법은 기존의 이노스텍 특허 기술을 이용하여 증착할 수 있다36) 이 경우 백금

박막의 미세구조는 그림 과 같이 일반적인 구조의 백금박막을 얻을 수7 columnar

있다 그러나 이 경우 은 TCR 38010-3 정도로 온도센서로 사용가능한 규격 인

38010-3 에 크게 못 미침을 예비 실험을 통하여 알 수 있었다

그림 일반적인 백금박막의 미세구조를 나타내는 전자 현미경 사진 7

- 34 -

또한 승온과 냉각과정에서 같은 온도에서의 저항값이 서로 다른 특성을hysteresis

나타내었다 이는 온도의 상승에 따라 열팽창계수의 차이에 의한 응력이나 접착력

변화에서 기인되는 문제로 생각되었다 백금 박막의 미세구조를 단결정에 가깝게

제작할 수 있다면 입계면에서의 에 기인하는 저항변화 를 제거 할 수scatting factor

있다 본 과제에서는 이를 위하여 백금의 거대입성장 현상을 이용하여 두께 에 1

서 수 의 입자크기를 갖는 백금박막을 온도센서 소자로 사용하였다 거대입mm~cm

성장 박막의 증착 조건 등은 표 에 표시하였다6

- 35 -

거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

- 36 -

그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 21 -

그러나 선폭이 너무 작아지면 박막의 두께에 의한 효과와 같이 비저항의 감소가 있

을 수 있다5) 본 과제에서는 선폭을 로 변화시켜 본 과제에서 개2 5 10 50

발된 백금박막 증착공정의 적용여부와 온도선형계수를 조사하였다

소자크기4

소자크기는 응답속도와 직접적인 관계를 갖는다 응답속도의 경우 온도센서의 분해

능 안정도 재현성 등과 더불어 온도센서를 평가하는 중요항목 중의 하나이다 일

반적으로 시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된632

다 온도센서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름

속도에 따라 달라지며 다음과 같은 식으로 알려져 있다 826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 열전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정 A

수 값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기뿐만 아니라 기판재료로 열전도가

알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므로 시정(25WmK) (148WmK)

수가 개선될 것으로 생각된다27)

온도안정성5

온도센서 특성중의 하나인 온도안정성은 의 국제규격에 따라 두 가지IEC751 type

으로 정의된다23)

Class A = (015+0002t)士

온도Class B = (030+0003t) t土

- 22 -

대부분의 박막타입의 경우 가 적용되고 있다 본 과제에서 적용된 백금 박class B

막의 경우 상온 증착 후 후열처리를 통해 백금의 입자크기가 의 크기를 갖mm~cm

는 단결정 입자로 구성되어 온도변화에 따른 특성이 매우 양호한hysteresis loop

특성을 가지고 있다 이러한 온도안정성에 영향을 미치는 요인으로는 흡착가스의

영향 백금입자의 입자성장 기판과의 열팽창 계수 차이에서 오는 응력 등이 주요

원인이 된다18) 상기평가항목의 평가 에 맞는 온도센서를 제작하기 위하여 증spec

착공정의 개발 패턴형성공정 개발 및 소자평가등 각각의 항목에 대한 세부내역은

제 절에 나타내었다2

- 23 -

제 절 백금박막 증착공정의 개발2

그림 는 본 과제에 사용된 기의 개략도를 나타내는 그림이다 진공시스4 sputtering

템은 와 로 구성되었으며rotary turbo pump 10-3 까지는 를 사Torr rotary pump

용하고 그 이후는 와 를 사용하여rotary turbo pump 3010-6 까지 반응실의Torr

진공을 유지 할 수 있도록 설계되었다 스퍼터 방식은 하향식이며 기판온도는 SiC

를 이용하여 까지 조절할 수 있다 균일한 증착을 위해 기판의 회전수heater 700

는 으로 조정가능하며 플라즈마 가스는 아르곤을 사용하였다 증착효율을1-20rpm

높이기 위해 타게트 뒷 부위에 영구자석을 설치한 방식을magnetron sputtering

채택하였다 가스압 조절을 위해 사의 사 MKS Baratron gauge Granville-phillips

의 를 사용하였으며 를 이용하여 가스의 유량을 조절vacuum gauge controller MFC

하였다 증착속도와 증착두께는 사의 Sycon Instruments STM-100MF

와 사의 을 이용하여 실측두께와 표시두께를thicknessrate monitor Tencor -stepα

보정하여 측정하였다

그림 본 과제에서 사용된 스퍼터링 시스템의 모식도4

- 24 -

일반적으로 스퍼터링에 사용되는 가스는 타게트 물질과의 반응을 방지하기 위하여

불활성 가스 를 사용한다 금속 타게트와 플라즈마 가스와의 반응을 이(Ar Kr Xe)

용한 에서는 반응가스로reactive sputtering O2를 첨가하기도 한다28) 본 연구에서

는 스퍼터링 가스로 아르곤과 아르곤 산소 가지를 사용하였으며 기판온도는 상온+ 2

으로 고정 시켰다 가스압은 증착 는 증착된 백금 1-22 mTorr power 100-250W

박막의 비저항은 를 이용하여 면저항을 측정한 후 을 이용하4 point probe -stepα

여 측정한 두께를 곱하여 구하였다 기판으로 사용된 실리콘 웨이퍼는 thermal

법으로 의oxidation 15 SiO 2 산화막이 증착된 이다P-type Si(100)

박막증착1

증착은 기판온도 가스압력 증착 뿐만 아니라 챔버의Sputtering power geometry

도 중요한 변수 중의 하나이다 예비 실험결과 아르곤만을 가지고 제작한 온도센서

는 기판과의 부착력이 나쁘고 온도선형성이나 온도저항계수 등 제반 사항이 온도센

서 제작에는 맞지 않은 것으로 판명되었다 또한 본 과제에서 기판과의 열팽창 계

수 차이에서 오는 온도저항계수의 저하를 백금미세구조 제어로 해결하고자 하였다

즉 백금박막의 거대입성장을 유도하여 거대입자로 구성된 온도센서를 제작하였다

거대입성장을 얻기 위한 공정은 기존의 실험결과를 바탕으로 다음과 같은 최적 조

건에서 박막을 증착하였다

표 온도센서 제작을 위한 백금박막의 최적 증착조건6

기판온도 가스비 아르곤 산소( ) 증착압력 증착power 비고

상온 1915(SCCM) 5 mTorr 170W

- 25 -

증착박막의 열처리2

증착된 박막의 열처리는 일반적인 전기로를 사용하였으며 공기중에서 600~1200

영역에서 한 시간 동안 열처리 하였다 열처리 조건에 따른 의 변화에 대한 많 TCR

은 보고가 있으나 본 실험에서는 한 시간으로 고정하였다24-2529) 이는 본 과제에

적용된 거대입성장 백금박막의 경우 시간에 따른 미세구조나 물성 차이를 보이지

않기 때문이었다 또한 백금증착시 산소를 점가하는 경우 백금산화물이 형성되거나

비저항 값이 증가하므로 열처리를 통해 증착 중 첨가된 산소를 박막외부로 확산시

켜야 한다 백금산화물의 경우 반도체 산화물로서 온도저항계수가 음의 값을 갖는

다2430-33) 이러한 산소의 탈착거동을 알아보기 위해 미소열량계를 이용하여 산소의

탈착거동을 관찰하였으며 소광계수의 변화 등을 관찰하였다 소광계수 측정을 위한

박막의 열처리는 진공분위기 에서 써머커플을 기판에 접촉시켜 측정하였(50 mTorr)

다

박막의 물성 측정3

두께 및 비저항 측정3-1

박막의 두께는 사의 을 이용하여 측정하였다 시편에 를 내Tencor -step scratchα

서 박막이 일부를 제거한 후 그 단차를 측정하여 두께를 측정한 후 4-point probe

로 측정한 면저항 값을 곱하여 비저항 값을 얻었다

미세구조 관찰3-2

박막의 입자크기는 이하이므로AS-depo 1000 TEM(Transmission ElectronÅ

관찰을 하였다 슬라이드에 시편을 붙이고 사포를 이용하여 이하Microscopy) 80

까지 연마한 후 하였다 한 시편을 직경 의 에 부착시dimpling dimpling 3 Cu grid

켜 을 하며 이 과정에서 입자충돌에 따른 국부적인 온도상승에 의한 박ion milling

막의 미세구조 변화를 막기 위해 액체질소를 이용하여 냉각하였다 열처리이후에는

를 이용하여 미세구조를 관찰하였다 거대입SEM(Scanning Electron Microscope)

성장의 관찰을 위해서는 광학현미경을 이용하여 입계를 관찰한 후 으로 보다SEM

자세한 입계면과 미세구조를 관찰하였다

결정성 분석3-3

박막의 결정성과 백금산화물의 상형성을 알아보기 위해 정도의 시편을 만1 x1

들어 사의 선 회절기로 을 얻었다 는MAC science X XRD pattern X-ray Cu Ka line

을 사용하였다( =15405 ) λ Å

- 26 -

첨가가스의 탈착 거동3-4

산소가스의 탈착 거동은 미세 열량분석계 와 를 이용하였다(DTA) ellipsometer DTA

는 반응생성물에 따라 계에 출입하는 미세 열량변화를 측정하여 계의 화학 반응온

도 등을 측정할 수 있는 측정 장비이다 는 특수한 광도계 Ellipsometer (

의 하나이며 빛의 편광상태의 변화를 측정하여 표면 및 박막의 구조와photometry)

물성 물질의 광특성 등을 연구하는데 사용되는 정밀 측정 기기이다

시료의 물성과 구조에 따라 반사 또는 투과광의 편광상태는 예민하게 변하므로 편

광상태 변화의 측정 및 분석을 통하여 시료의 물성과 구조에 대한 정보를 정밀하게

얻을 수 있어서 반도체 산업에서 산화막의 두께 및 두께 분포의 측정을 포함하여

박막 등의 분석에 널리 이용되고 있다

최근 반도체 광학재료의 제조 공정에 있어서 공정 제어를 위한 실시간 측정의 필

요성이 증대되고 있다 이에 따라 시료의 표면 상태와 박막의 구조 해석에 뛰어난

능력이 인정된 타원해석기를 이용하는 사례가 증가하고 있다

는 크게 나누어 와 단파장Ellipsometer spectroscopic ellipsometer(SE)

로 나눌 수 있는데 는 구조가 복잡하거나 물성이 알려져 있지 않은ellipsometer SE

시료의 기계적 두께 전자적 흡수단 구조 해석에 유리하지만 증착 에칭 열처리( ) ( )

표면반응 등의 공정 관측에는 거의 연속적인 데이터 획득이 유리한 단파장 타원해

석기가 널이 이용되고 있다 본 과제에서는 반사된 광원의 와 를 측정하 tan cosψ

여 굴절율 과 소광계수 값을 측정하였다(n) (k)

- 27 -

제 절 패턴 제작 공정의 개발3

일반적으로 금속의 저항은 다음의 식으로 표시된다

R = p(LA) -------------- (A)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 단면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

금속의 저항은 위와 같은 형태학적인 변수 외에 온도 등에도 의존하게 되는데 Pt

등의 경우 이러한 금속의 저항이 온도에 대해 선형적으로 증가하는 특Ni Cu W

성을 가지고 있다 이러한 온도저항 특성을 이용하여 주변의 온도를 감지하는 측온

저항체 온도센서로 많이 사용되고 있다 이러한 온도센서는 주변 온도에 대하여 다

음의 관계식을 갖는다

R(T) = R0 + TR0

온도 에서의 저항R(T) T Ro 기준점 에서의 저항 온도선형계수 측정온 (O ) T α

도

물질에 따라 온도선형계수 는 정해져 있으며 형태변수식 에 의한 금속의 저( ) (A)α

항 값이 높을수록 온도변화에 대한 저항변화 값이 증가하여 정확한 온도를 측정할

수 있다 소자의 경향에 따라 작은 크기의 미세소자로 원하는 기능을 輕薄短小化

얻고자 하는 것이 기술적인 경향이다 따라서 박막 기술을 이용한 금속 박막 온도

센서의 제작이 활발히 이루어지고 있으며 일부 제품의 경우 제품화되어 사용되고

있다 금속의 종류에 따라 특성을 나타내기 위한 최소의 박막 두께가 정해지 bulk

며 일정 두께 이하에서는 특성을 나타내지 못하게 된다 따라서 안정한 소자bulk

를 얻기 위해서는 일정 두께 이상의 박막두께가 필요하게 된다5) 백금저항소자의

경우 마이크로미터 이상의 두께가 필요한 것으로 알려져 있다 박막의 두께가10

일정할 때 저항 값의 조절은 패턴의 선폭에 의하여 조절되게 된다 이러한 선폭을

조절하기 위하여 기존에 사용되는 방법은 레이저트리밍 습식 식각 건식 식각 등의

방법이 사용된다 선폭의 조절이나 소자의 열화와 같은 문제가 발생할 수 있다

- 28 -

본 과제에서는 박막형 온도센서 제작에 있어 실리콘 기판위에 절연층의 식각을 통

해 원하는 패턴을 미리 형성하고 금속을 증착하여 온도센서를 제조함으로써 백금박

막의 저항조절을 용이하게 하고 소자의 내구성 향상과 소자크기를 소형화한 온도센

서를 제작하고자 하였다 그림 는 본 과제의 온도센서 제조공정을 나타내는 그림 5

이다 공정의 용이성에 따라 절연막 코팅을 패드보호막 형성 이후에 진행할 수도

있다

그림 당 과제에서 개발한 매립형 백금박막 온도센서 제조공정 모식도 5

- 29 -

제 절 소자 평가4

백금저항 온도센서의 여러 가지 물성 측정은 규정에 따른다KS C 1603-1991 19)

이에 따르면 온도특성 전기적 특성 기계적 특성에 대한 측정으로 크게 구별 될 수

있다 온도특성에는 온도에 대한 허용오차 안정도 자기 가열특성 등이 있으며 전

기적 특성에는 절연저항 내전압 등이 있고 기계적 특성으로는 내충격성과 내진동

성 등의 세부 항목들이 있으며 각각의 특성치를 시험하기 위한 방법이 규정되어 있

다

국제온도눈금 규격 에(ITS-1990 The International Temperature Scale of 1990)

의하면 평형수소의 삼중점 부터 은의 응고점 까지의 영역에서는(138033K) (96178)

에서 정의된 고정점들 사이를 내삽해 주는 기준함수 및 편차함수를 사용ITS-1990

하여 교정된 백금저항온도계에 의해 정의되도록 하고 있다 따라서 온도센서의 검

교정은 사용영역 내에서의 고정점들과 표준온도계의 온도저항 특성을 비교함으로써

얻을 수 있다 본 과제에서는 제작된 온도센서 및 상용센서의 평가를 위해 한국표

준과학연구원의 온도연구실에 있는 장비를 이용하였다 리드선의 저항오차를 최대

한 줄이기 위해 선 결선 방법을 택하였으며 리드선으로 직경 의 백금 선4 02 mm

을 사용하였다 물의 삼중점 주석의 녹는점 아연의 녹는점 등의 고정점 개와 항 3

온조를 이용한 50~ 도 사이의 온도 범위에서 측정점을 정하여 백금표준온도450

저항값과 제작된 온도센서의 저항값을 측정하여 온도선형계수 및 고온에서의 허용

오차 등을 측정하였다 측정조건은 를 사용하여 규정전류 HP 3458 multimeter 1mA

를 회로상에 흐르도록 구성한 뒤 저항값을 소수 째 자리까지 측정하여 유효 숫자4

는 소수 자리까지 사용하였다 일정한 온도를 얻기 위하여 사용되는 항온조는 온3

도영역에 따라 이하의 저온 영역은 알콜 영역에서는 에틸렌 글리0 0~100

콜 은 실리콘 오일을 사용하였으며 원하는 온도에 이른 후 평형을 100~200

위하여 분 이상 기다린 다음 표준저항기와 온도센서의 저항값을 각각 회씩 측30 3

정하여 평균값을 취하였다

- 30 -

에서는 저항기의 기준값으로 를 물의 삼중점 의 저ITS-1990 R (27316K=001 )

항 값으로 취하고 있다 정점의 실현은 녹는점 또는 어는점에서 잠열의 출입과 관

계없이 일정한 온도를 유지하는 특성을 이용한 것으로 녹는점 부근에서의 열량 조

절이 매우 중요하다 주석과 아연의 녹는점 실현을 위한 로는 석영관 내부에 주석

과 아연이 들어 있는 가 있고 표준저항기와 측정하고자 하는 온도센서thermal bath

가 들어가 있는 작은 석영관으로 이루어진 이중 구조로 되어있다 녹는점의 실현

을 위해서는 정밀한 저항 조절을 통한 온도제어가 필요하다 이를 위해 사용되는

기기로는 등이 사용되는데 이는current comparator resistance bridge 10-7 ohm

정도의 저항 조절이 가능한 장비이며 이를 온도로 환산하면 정도의 고정001mK

밀도를 가진다

- 31 -

제 장 기술개발결과3

- 32 -

제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금 박막의 필요성1

백금 박막은 백금 자체의 온도 저항 특성을 이용한 온도센서 및 로서의 응용 heater

과 촉매로서의 활용도 활발하게 이루어지고 있다 박막온도센서로의 응용을 위해서

는 온도변화에 따른 저항 변화계수(Temperature Coefficient of Resistance TCR)

가 중요한데 규정값(38510-3 이상의 을 얻기 위해서는 백금의 두께가 ) TCR 1

이상이 되어야 한다고 알려져 있다 5) 그림 은 백금박막의 두께에 따른 의6 TCR

변화를 나타내는 그림이다 은 두께뿐만 아니라 백금 박막의 미세구조 불순물 TCR

기판의 열팽창 계수 등 여러 가지 요인에 의존한다 이러한 여러 변수 중 두께 및

미세구조 조절은 순도와 함께 최적의 온도 저항 계수를 위한 중요 변수로 작용하는

것으로 알려져 있다18-20)

그림 두께에 따른 온도저항계수의 변화 6 5)

실리콘 기판 위의 백금증착은 앞서 설명한 바와 같이 열팽창 계수의 차이 부착력

문제 등으로 원하는 을 얻기 어렵다 백금의 열팽창 계수는TCR 8910-6 로 경우degc

실리콘에(2610-6 비해 높은 값을 가지며 온도 에서 다음과 같은 저항체 길degC) T

이의 변화를 유발하게 된다

- 33 -

L(T)=L(o)(1+ (Tα t-To)

백금과 기판의 열팽창 계수 차이 온도 Tα

특히 기판의 열팽창 계수가 작으면 백금저항의 감소를 유발하게 되어 저하의 TCR

원인이 된다 따라서 기존 상용제품의 경우 대부분이 백금과 열팽창 계수 차이가

없고 부착력이 좋은 알루미나를 기판재료로 사용하고 있다 본 과제의 거대 입성장

된 백금박막은 이러한 열팽창 계수의 차이에서 오는 부의 효과를 미세구조의 조절

을 통해 극복하고자 하였다

에 영향을 미치는 접착증을 사용하지 않으면서 백금박막의 접착력 증진을 위TCR

한 방법은 기존의 이노스텍 특허 기술을 이용하여 증착할 수 있다36) 이 경우 백금

박막의 미세구조는 그림 과 같이 일반적인 구조의 백금박막을 얻을 수7 columnar

있다 그러나 이 경우 은 TCR 38010-3 정도로 온도센서로 사용가능한 규격 인

38010-3 에 크게 못 미침을 예비 실험을 통하여 알 수 있었다

그림 일반적인 백금박막의 미세구조를 나타내는 전자 현미경 사진 7

- 34 -

또한 승온과 냉각과정에서 같은 온도에서의 저항값이 서로 다른 특성을hysteresis

나타내었다 이는 온도의 상승에 따라 열팽창계수의 차이에 의한 응력이나 접착력

변화에서 기인되는 문제로 생각되었다 백금 박막의 미세구조를 단결정에 가깝게

제작할 수 있다면 입계면에서의 에 기인하는 저항변화 를 제거 할 수scatting factor

있다 본 과제에서는 이를 위하여 백금의 거대입성장 현상을 이용하여 두께 에 1

서 수 의 입자크기를 갖는 백금박막을 온도센서 소자로 사용하였다 거대입mm~cm

성장 박막의 증착 조건 등은 표 에 표시하였다6

- 35 -

거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

- 36 -

그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

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개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

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특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

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시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

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그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

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제 장 결론 및 기대효과4

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제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

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당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

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제 장 참고 문헌5

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제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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)

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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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

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16) United States Patent No 4396899(1983)

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18) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

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19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

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26) J P Holman Heat Transfer McGRAW-HILL Co p 110 (1981)

27) Kingery Bowen and Uhlmann Introduction to ceramics John Wiley amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

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대부분의 박막타입의 경우 가 적용되고 있다 본 과제에서 적용된 백금 박class B

막의 경우 상온 증착 후 후열처리를 통해 백금의 입자크기가 의 크기를 갖mm~cm

는 단결정 입자로 구성되어 온도변화에 따른 특성이 매우 양호한hysteresis loop

특성을 가지고 있다 이러한 온도안정성에 영향을 미치는 요인으로는 흡착가스의

영향 백금입자의 입자성장 기판과의 열팽창 계수 차이에서 오는 응력 등이 주요

원인이 된다18) 상기평가항목의 평가 에 맞는 온도센서를 제작하기 위하여 증spec

착공정의 개발 패턴형성공정 개발 및 소자평가등 각각의 항목에 대한 세부내역은

제 절에 나타내었다2

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제 절 백금박막 증착공정의 개발2

그림 는 본 과제에 사용된 기의 개략도를 나타내는 그림이다 진공시스4 sputtering

템은 와 로 구성되었으며rotary turbo pump 10-3 까지는 를 사Torr rotary pump

용하고 그 이후는 와 를 사용하여rotary turbo pump 3010-6 까지 반응실의Torr

진공을 유지 할 수 있도록 설계되었다 스퍼터 방식은 하향식이며 기판온도는 SiC

를 이용하여 까지 조절할 수 있다 균일한 증착을 위해 기판의 회전수heater 700

는 으로 조정가능하며 플라즈마 가스는 아르곤을 사용하였다 증착효율을1-20rpm

높이기 위해 타게트 뒷 부위에 영구자석을 설치한 방식을magnetron sputtering

채택하였다 가스압 조절을 위해 사의 사 MKS Baratron gauge Granville-phillips

의 를 사용하였으며 를 이용하여 가스의 유량을 조절vacuum gauge controller MFC

하였다 증착속도와 증착두께는 사의 Sycon Instruments STM-100MF

와 사의 을 이용하여 실측두께와 표시두께를thicknessrate monitor Tencor -stepα

보정하여 측정하였다

그림 본 과제에서 사용된 스퍼터링 시스템의 모식도4

- 24 -

일반적으로 스퍼터링에 사용되는 가스는 타게트 물질과의 반응을 방지하기 위하여

불활성 가스 를 사용한다 금속 타게트와 플라즈마 가스와의 반응을 이(Ar Kr Xe)

용한 에서는 반응가스로reactive sputtering O2를 첨가하기도 한다28) 본 연구에서

는 스퍼터링 가스로 아르곤과 아르곤 산소 가지를 사용하였으며 기판온도는 상온+ 2

으로 고정 시켰다 가스압은 증착 는 증착된 백금 1-22 mTorr power 100-250W

박막의 비저항은 를 이용하여 면저항을 측정한 후 을 이용하4 point probe -stepα

여 측정한 두께를 곱하여 구하였다 기판으로 사용된 실리콘 웨이퍼는 thermal

법으로 의oxidation 15 SiO 2 산화막이 증착된 이다P-type Si(100)

박막증착1

증착은 기판온도 가스압력 증착 뿐만 아니라 챔버의Sputtering power geometry

도 중요한 변수 중의 하나이다 예비 실험결과 아르곤만을 가지고 제작한 온도센서

는 기판과의 부착력이 나쁘고 온도선형성이나 온도저항계수 등 제반 사항이 온도센

서 제작에는 맞지 않은 것으로 판명되었다 또한 본 과제에서 기판과의 열팽창 계

수 차이에서 오는 온도저항계수의 저하를 백금미세구조 제어로 해결하고자 하였다

즉 백금박막의 거대입성장을 유도하여 거대입자로 구성된 온도센서를 제작하였다

거대입성장을 얻기 위한 공정은 기존의 실험결과를 바탕으로 다음과 같은 최적 조

건에서 박막을 증착하였다

표 온도센서 제작을 위한 백금박막의 최적 증착조건6

기판온도 가스비 아르곤 산소( ) 증착압력 증착power 비고

상온 1915(SCCM) 5 mTorr 170W

- 25 -

증착박막의 열처리2

증착된 박막의 열처리는 일반적인 전기로를 사용하였으며 공기중에서 600~1200

영역에서 한 시간 동안 열처리 하였다 열처리 조건에 따른 의 변화에 대한 많 TCR

은 보고가 있으나 본 실험에서는 한 시간으로 고정하였다24-2529) 이는 본 과제에

적용된 거대입성장 백금박막의 경우 시간에 따른 미세구조나 물성 차이를 보이지

않기 때문이었다 또한 백금증착시 산소를 점가하는 경우 백금산화물이 형성되거나

비저항 값이 증가하므로 열처리를 통해 증착 중 첨가된 산소를 박막외부로 확산시

켜야 한다 백금산화물의 경우 반도체 산화물로서 온도저항계수가 음의 값을 갖는

다2430-33) 이러한 산소의 탈착거동을 알아보기 위해 미소열량계를 이용하여 산소의

탈착거동을 관찰하였으며 소광계수의 변화 등을 관찰하였다 소광계수 측정을 위한

박막의 열처리는 진공분위기 에서 써머커플을 기판에 접촉시켜 측정하였(50 mTorr)

다

박막의 물성 측정3

두께 및 비저항 측정3-1

박막의 두께는 사의 을 이용하여 측정하였다 시편에 를 내Tencor -step scratchα

서 박막이 일부를 제거한 후 그 단차를 측정하여 두께를 측정한 후 4-point probe

로 측정한 면저항 값을 곱하여 비저항 값을 얻었다

미세구조 관찰3-2

박막의 입자크기는 이하이므로AS-depo 1000 TEM(Transmission ElectronÅ

관찰을 하였다 슬라이드에 시편을 붙이고 사포를 이용하여 이하Microscopy) 80

까지 연마한 후 하였다 한 시편을 직경 의 에 부착시dimpling dimpling 3 Cu grid

켜 을 하며 이 과정에서 입자충돌에 따른 국부적인 온도상승에 의한 박ion milling

막의 미세구조 변화를 막기 위해 액체질소를 이용하여 냉각하였다 열처리이후에는

를 이용하여 미세구조를 관찰하였다 거대입SEM(Scanning Electron Microscope)

성장의 관찰을 위해서는 광학현미경을 이용하여 입계를 관찰한 후 으로 보다SEM

자세한 입계면과 미세구조를 관찰하였다

결정성 분석3-3

박막의 결정성과 백금산화물의 상형성을 알아보기 위해 정도의 시편을 만1 x1

들어 사의 선 회절기로 을 얻었다 는MAC science X XRD pattern X-ray Cu Ka line

을 사용하였다( =15405 ) λ Å

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첨가가스의 탈착 거동3-4

산소가스의 탈착 거동은 미세 열량분석계 와 를 이용하였다(DTA) ellipsometer DTA

는 반응생성물에 따라 계에 출입하는 미세 열량변화를 측정하여 계의 화학 반응온

도 등을 측정할 수 있는 측정 장비이다 는 특수한 광도계 Ellipsometer (

의 하나이며 빛의 편광상태의 변화를 측정하여 표면 및 박막의 구조와photometry)

물성 물질의 광특성 등을 연구하는데 사용되는 정밀 측정 기기이다

시료의 물성과 구조에 따라 반사 또는 투과광의 편광상태는 예민하게 변하므로 편

광상태 변화의 측정 및 분석을 통하여 시료의 물성과 구조에 대한 정보를 정밀하게

얻을 수 있어서 반도체 산업에서 산화막의 두께 및 두께 분포의 측정을 포함하여

박막 등의 분석에 널리 이용되고 있다

최근 반도체 광학재료의 제조 공정에 있어서 공정 제어를 위한 실시간 측정의 필

요성이 증대되고 있다 이에 따라 시료의 표면 상태와 박막의 구조 해석에 뛰어난

능력이 인정된 타원해석기를 이용하는 사례가 증가하고 있다

는 크게 나누어 와 단파장Ellipsometer spectroscopic ellipsometer(SE)

로 나눌 수 있는데 는 구조가 복잡하거나 물성이 알려져 있지 않은ellipsometer SE

시료의 기계적 두께 전자적 흡수단 구조 해석에 유리하지만 증착 에칭 열처리( ) ( )

표면반응 등의 공정 관측에는 거의 연속적인 데이터 획득이 유리한 단파장 타원해

석기가 널이 이용되고 있다 본 과제에서는 반사된 광원의 와 를 측정하 tan cosψ

여 굴절율 과 소광계수 값을 측정하였다(n) (k)

- 27 -

제 절 패턴 제작 공정의 개발3

일반적으로 금속의 저항은 다음의 식으로 표시된다

R = p(LA) -------------- (A)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 단면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

금속의 저항은 위와 같은 형태학적인 변수 외에 온도 등에도 의존하게 되는데 Pt

등의 경우 이러한 금속의 저항이 온도에 대해 선형적으로 증가하는 특Ni Cu W

성을 가지고 있다 이러한 온도저항 특성을 이용하여 주변의 온도를 감지하는 측온

저항체 온도센서로 많이 사용되고 있다 이러한 온도센서는 주변 온도에 대하여 다

음의 관계식을 갖는다

R(T) = R0 + TR0

온도 에서의 저항R(T) T Ro 기준점 에서의 저항 온도선형계수 측정온 (O ) T α

도

물질에 따라 온도선형계수 는 정해져 있으며 형태변수식 에 의한 금속의 저( ) (A)α

항 값이 높을수록 온도변화에 대한 저항변화 값이 증가하여 정확한 온도를 측정할

수 있다 소자의 경향에 따라 작은 크기의 미세소자로 원하는 기능을 輕薄短小化

얻고자 하는 것이 기술적인 경향이다 따라서 박막 기술을 이용한 금속 박막 온도

센서의 제작이 활발히 이루어지고 있으며 일부 제품의 경우 제품화되어 사용되고

있다 금속의 종류에 따라 특성을 나타내기 위한 최소의 박막 두께가 정해지 bulk

며 일정 두께 이하에서는 특성을 나타내지 못하게 된다 따라서 안정한 소자bulk

를 얻기 위해서는 일정 두께 이상의 박막두께가 필요하게 된다5) 백금저항소자의

경우 마이크로미터 이상의 두께가 필요한 것으로 알려져 있다 박막의 두께가10

일정할 때 저항 값의 조절은 패턴의 선폭에 의하여 조절되게 된다 이러한 선폭을

조절하기 위하여 기존에 사용되는 방법은 레이저트리밍 습식 식각 건식 식각 등의

방법이 사용된다 선폭의 조절이나 소자의 열화와 같은 문제가 발생할 수 있다

- 28 -

본 과제에서는 박막형 온도센서 제작에 있어 실리콘 기판위에 절연층의 식각을 통

해 원하는 패턴을 미리 형성하고 금속을 증착하여 온도센서를 제조함으로써 백금박

막의 저항조절을 용이하게 하고 소자의 내구성 향상과 소자크기를 소형화한 온도센

서를 제작하고자 하였다 그림 는 본 과제의 온도센서 제조공정을 나타내는 그림 5

이다 공정의 용이성에 따라 절연막 코팅을 패드보호막 형성 이후에 진행할 수도

있다

그림 당 과제에서 개발한 매립형 백금박막 온도센서 제조공정 모식도 5

- 29 -

제 절 소자 평가4

백금저항 온도센서의 여러 가지 물성 측정은 규정에 따른다KS C 1603-1991 19)

이에 따르면 온도특성 전기적 특성 기계적 특성에 대한 측정으로 크게 구별 될 수

있다 온도특성에는 온도에 대한 허용오차 안정도 자기 가열특성 등이 있으며 전

기적 특성에는 절연저항 내전압 등이 있고 기계적 특성으로는 내충격성과 내진동

성 등의 세부 항목들이 있으며 각각의 특성치를 시험하기 위한 방법이 규정되어 있

다

국제온도눈금 규격 에(ITS-1990 The International Temperature Scale of 1990)

의하면 평형수소의 삼중점 부터 은의 응고점 까지의 영역에서는(138033K) (96178)

에서 정의된 고정점들 사이를 내삽해 주는 기준함수 및 편차함수를 사용ITS-1990

하여 교정된 백금저항온도계에 의해 정의되도록 하고 있다 따라서 온도센서의 검

교정은 사용영역 내에서의 고정점들과 표준온도계의 온도저항 특성을 비교함으로써

얻을 수 있다 본 과제에서는 제작된 온도센서 및 상용센서의 평가를 위해 한국표

준과학연구원의 온도연구실에 있는 장비를 이용하였다 리드선의 저항오차를 최대

한 줄이기 위해 선 결선 방법을 택하였으며 리드선으로 직경 의 백금 선4 02 mm

을 사용하였다 물의 삼중점 주석의 녹는점 아연의 녹는점 등의 고정점 개와 항 3

온조를 이용한 50~ 도 사이의 온도 범위에서 측정점을 정하여 백금표준온도450

저항값과 제작된 온도센서의 저항값을 측정하여 온도선형계수 및 고온에서의 허용

오차 등을 측정하였다 측정조건은 를 사용하여 규정전류 HP 3458 multimeter 1mA

를 회로상에 흐르도록 구성한 뒤 저항값을 소수 째 자리까지 측정하여 유효 숫자4

는 소수 자리까지 사용하였다 일정한 온도를 얻기 위하여 사용되는 항온조는 온3

도영역에 따라 이하의 저온 영역은 알콜 영역에서는 에틸렌 글리0 0~100

콜 은 실리콘 오일을 사용하였으며 원하는 온도에 이른 후 평형을 100~200

위하여 분 이상 기다린 다음 표준저항기와 온도센서의 저항값을 각각 회씩 측30 3

정하여 평균값을 취하였다

- 30 -

에서는 저항기의 기준값으로 를 물의 삼중점 의 저ITS-1990 R (27316K=001 )

항 값으로 취하고 있다 정점의 실현은 녹는점 또는 어는점에서 잠열의 출입과 관

계없이 일정한 온도를 유지하는 특성을 이용한 것으로 녹는점 부근에서의 열량 조

절이 매우 중요하다 주석과 아연의 녹는점 실현을 위한 로는 석영관 내부에 주석

과 아연이 들어 있는 가 있고 표준저항기와 측정하고자 하는 온도센서thermal bath

가 들어가 있는 작은 석영관으로 이루어진 이중 구조로 되어있다 녹는점의 실현

을 위해서는 정밀한 저항 조절을 통한 온도제어가 필요하다 이를 위해 사용되는

기기로는 등이 사용되는데 이는current comparator resistance bridge 10-7 ohm

정도의 저항 조절이 가능한 장비이며 이를 온도로 환산하면 정도의 고정001mK

밀도를 가진다

- 31 -

제 장 기술개발결과3

- 32 -

제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금 박막의 필요성1

백금 박막은 백금 자체의 온도 저항 특성을 이용한 온도센서 및 로서의 응용 heater

과 촉매로서의 활용도 활발하게 이루어지고 있다 박막온도센서로의 응용을 위해서

는 온도변화에 따른 저항 변화계수(Temperature Coefficient of Resistance TCR)

가 중요한데 규정값(38510-3 이상의 을 얻기 위해서는 백금의 두께가 ) TCR 1

이상이 되어야 한다고 알려져 있다 5) 그림 은 백금박막의 두께에 따른 의6 TCR

변화를 나타내는 그림이다 은 두께뿐만 아니라 백금 박막의 미세구조 불순물 TCR

기판의 열팽창 계수 등 여러 가지 요인에 의존한다 이러한 여러 변수 중 두께 및

미세구조 조절은 순도와 함께 최적의 온도 저항 계수를 위한 중요 변수로 작용하는

것으로 알려져 있다18-20)

그림 두께에 따른 온도저항계수의 변화 6 5)

실리콘 기판 위의 백금증착은 앞서 설명한 바와 같이 열팽창 계수의 차이 부착력

문제 등으로 원하는 을 얻기 어렵다 백금의 열팽창 계수는TCR 8910-6 로 경우degc

실리콘에(2610-6 비해 높은 값을 가지며 온도 에서 다음과 같은 저항체 길degC) T

이의 변화를 유발하게 된다

- 33 -

L(T)=L(o)(1+ (Tα t-To)

백금과 기판의 열팽창 계수 차이 온도 Tα

특히 기판의 열팽창 계수가 작으면 백금저항의 감소를 유발하게 되어 저하의 TCR

원인이 된다 따라서 기존 상용제품의 경우 대부분이 백금과 열팽창 계수 차이가

없고 부착력이 좋은 알루미나를 기판재료로 사용하고 있다 본 과제의 거대 입성장

된 백금박막은 이러한 열팽창 계수의 차이에서 오는 부의 효과를 미세구조의 조절

을 통해 극복하고자 하였다

에 영향을 미치는 접착증을 사용하지 않으면서 백금박막의 접착력 증진을 위TCR

한 방법은 기존의 이노스텍 특허 기술을 이용하여 증착할 수 있다36) 이 경우 백금

박막의 미세구조는 그림 과 같이 일반적인 구조의 백금박막을 얻을 수7 columnar

있다 그러나 이 경우 은 TCR 38010-3 정도로 온도센서로 사용가능한 규격 인

38010-3 에 크게 못 미침을 예비 실험을 통하여 알 수 있었다

그림 일반적인 백금박막의 미세구조를 나타내는 전자 현미경 사진 7

- 34 -

또한 승온과 냉각과정에서 같은 온도에서의 저항값이 서로 다른 특성을hysteresis

나타내었다 이는 온도의 상승에 따라 열팽창계수의 차이에 의한 응력이나 접착력

변화에서 기인되는 문제로 생각되었다 백금 박막의 미세구조를 단결정에 가깝게

제작할 수 있다면 입계면에서의 에 기인하는 저항변화 를 제거 할 수scatting factor

있다 본 과제에서는 이를 위하여 백금의 거대입성장 현상을 이용하여 두께 에 1

서 수 의 입자크기를 갖는 백금박막을 온도센서 소자로 사용하였다 거대입mm~cm

성장 박막의 증착 조건 등은 표 에 표시하였다6

- 35 -

거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

- 36 -

그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

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제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

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그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

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리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

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절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 23 -

제 절 백금박막 증착공정의 개발2

그림 는 본 과제에 사용된 기의 개략도를 나타내는 그림이다 진공시스4 sputtering

템은 와 로 구성되었으며rotary turbo pump 10-3 까지는 를 사Torr rotary pump

용하고 그 이후는 와 를 사용하여rotary turbo pump 3010-6 까지 반응실의Torr

진공을 유지 할 수 있도록 설계되었다 스퍼터 방식은 하향식이며 기판온도는 SiC

를 이용하여 까지 조절할 수 있다 균일한 증착을 위해 기판의 회전수heater 700

는 으로 조정가능하며 플라즈마 가스는 아르곤을 사용하였다 증착효율을1-20rpm

높이기 위해 타게트 뒷 부위에 영구자석을 설치한 방식을magnetron sputtering

채택하였다 가스압 조절을 위해 사의 사 MKS Baratron gauge Granville-phillips

의 를 사용하였으며 를 이용하여 가스의 유량을 조절vacuum gauge controller MFC

하였다 증착속도와 증착두께는 사의 Sycon Instruments STM-100MF

와 사의 을 이용하여 실측두께와 표시두께를thicknessrate monitor Tencor -stepα

보정하여 측정하였다

그림 본 과제에서 사용된 스퍼터링 시스템의 모식도4

- 24 -

일반적으로 스퍼터링에 사용되는 가스는 타게트 물질과의 반응을 방지하기 위하여

불활성 가스 를 사용한다 금속 타게트와 플라즈마 가스와의 반응을 이(Ar Kr Xe)

용한 에서는 반응가스로reactive sputtering O2를 첨가하기도 한다28) 본 연구에서

는 스퍼터링 가스로 아르곤과 아르곤 산소 가지를 사용하였으며 기판온도는 상온+ 2

으로 고정 시켰다 가스압은 증착 는 증착된 백금 1-22 mTorr power 100-250W

박막의 비저항은 를 이용하여 면저항을 측정한 후 을 이용하4 point probe -stepα

여 측정한 두께를 곱하여 구하였다 기판으로 사용된 실리콘 웨이퍼는 thermal

법으로 의oxidation 15 SiO 2 산화막이 증착된 이다P-type Si(100)

박막증착1

증착은 기판온도 가스압력 증착 뿐만 아니라 챔버의Sputtering power geometry

도 중요한 변수 중의 하나이다 예비 실험결과 아르곤만을 가지고 제작한 온도센서

는 기판과의 부착력이 나쁘고 온도선형성이나 온도저항계수 등 제반 사항이 온도센

서 제작에는 맞지 않은 것으로 판명되었다 또한 본 과제에서 기판과의 열팽창 계

수 차이에서 오는 온도저항계수의 저하를 백금미세구조 제어로 해결하고자 하였다

즉 백금박막의 거대입성장을 유도하여 거대입자로 구성된 온도센서를 제작하였다

거대입성장을 얻기 위한 공정은 기존의 실험결과를 바탕으로 다음과 같은 최적 조

건에서 박막을 증착하였다

표 온도센서 제작을 위한 백금박막의 최적 증착조건6

기판온도 가스비 아르곤 산소( ) 증착압력 증착power 비고

상온 1915(SCCM) 5 mTorr 170W

- 25 -

증착박막의 열처리2

증착된 박막의 열처리는 일반적인 전기로를 사용하였으며 공기중에서 600~1200

영역에서 한 시간 동안 열처리 하였다 열처리 조건에 따른 의 변화에 대한 많 TCR

은 보고가 있으나 본 실험에서는 한 시간으로 고정하였다24-2529) 이는 본 과제에

적용된 거대입성장 백금박막의 경우 시간에 따른 미세구조나 물성 차이를 보이지

않기 때문이었다 또한 백금증착시 산소를 점가하는 경우 백금산화물이 형성되거나

비저항 값이 증가하므로 열처리를 통해 증착 중 첨가된 산소를 박막외부로 확산시

켜야 한다 백금산화물의 경우 반도체 산화물로서 온도저항계수가 음의 값을 갖는

다2430-33) 이러한 산소의 탈착거동을 알아보기 위해 미소열량계를 이용하여 산소의

탈착거동을 관찰하였으며 소광계수의 변화 등을 관찰하였다 소광계수 측정을 위한

박막의 열처리는 진공분위기 에서 써머커플을 기판에 접촉시켜 측정하였(50 mTorr)

다

박막의 물성 측정3

두께 및 비저항 측정3-1

박막의 두께는 사의 을 이용하여 측정하였다 시편에 를 내Tencor -step scratchα

서 박막이 일부를 제거한 후 그 단차를 측정하여 두께를 측정한 후 4-point probe

로 측정한 면저항 값을 곱하여 비저항 값을 얻었다

미세구조 관찰3-2

박막의 입자크기는 이하이므로AS-depo 1000 TEM(Transmission ElectronÅ

관찰을 하였다 슬라이드에 시편을 붙이고 사포를 이용하여 이하Microscopy) 80

까지 연마한 후 하였다 한 시편을 직경 의 에 부착시dimpling dimpling 3 Cu grid

켜 을 하며 이 과정에서 입자충돌에 따른 국부적인 온도상승에 의한 박ion milling

막의 미세구조 변화를 막기 위해 액체질소를 이용하여 냉각하였다 열처리이후에는

를 이용하여 미세구조를 관찰하였다 거대입SEM(Scanning Electron Microscope)

성장의 관찰을 위해서는 광학현미경을 이용하여 입계를 관찰한 후 으로 보다SEM

자세한 입계면과 미세구조를 관찰하였다

결정성 분석3-3

박막의 결정성과 백금산화물의 상형성을 알아보기 위해 정도의 시편을 만1 x1

들어 사의 선 회절기로 을 얻었다 는MAC science X XRD pattern X-ray Cu Ka line

을 사용하였다( =15405 ) λ Å

- 26 -

첨가가스의 탈착 거동3-4

산소가스의 탈착 거동은 미세 열량분석계 와 를 이용하였다(DTA) ellipsometer DTA

는 반응생성물에 따라 계에 출입하는 미세 열량변화를 측정하여 계의 화학 반응온

도 등을 측정할 수 있는 측정 장비이다 는 특수한 광도계 Ellipsometer (

의 하나이며 빛의 편광상태의 변화를 측정하여 표면 및 박막의 구조와photometry)

물성 물질의 광특성 등을 연구하는데 사용되는 정밀 측정 기기이다

시료의 물성과 구조에 따라 반사 또는 투과광의 편광상태는 예민하게 변하므로 편

광상태 변화의 측정 및 분석을 통하여 시료의 물성과 구조에 대한 정보를 정밀하게

얻을 수 있어서 반도체 산업에서 산화막의 두께 및 두께 분포의 측정을 포함하여

박막 등의 분석에 널리 이용되고 있다

최근 반도체 광학재료의 제조 공정에 있어서 공정 제어를 위한 실시간 측정의 필

요성이 증대되고 있다 이에 따라 시료의 표면 상태와 박막의 구조 해석에 뛰어난

능력이 인정된 타원해석기를 이용하는 사례가 증가하고 있다

는 크게 나누어 와 단파장Ellipsometer spectroscopic ellipsometer(SE)

로 나눌 수 있는데 는 구조가 복잡하거나 물성이 알려져 있지 않은ellipsometer SE

시료의 기계적 두께 전자적 흡수단 구조 해석에 유리하지만 증착 에칭 열처리( ) ( )

표면반응 등의 공정 관측에는 거의 연속적인 데이터 획득이 유리한 단파장 타원해

석기가 널이 이용되고 있다 본 과제에서는 반사된 광원의 와 를 측정하 tan cosψ

여 굴절율 과 소광계수 값을 측정하였다(n) (k)

- 27 -

제 절 패턴 제작 공정의 개발3

일반적으로 금속의 저항은 다음의 식으로 표시된다

R = p(LA) -------------- (A)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 단면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

금속의 저항은 위와 같은 형태학적인 변수 외에 온도 등에도 의존하게 되는데 Pt

등의 경우 이러한 금속의 저항이 온도에 대해 선형적으로 증가하는 특Ni Cu W

성을 가지고 있다 이러한 온도저항 특성을 이용하여 주변의 온도를 감지하는 측온

저항체 온도센서로 많이 사용되고 있다 이러한 온도센서는 주변 온도에 대하여 다

음의 관계식을 갖는다

R(T) = R0 + TR0

온도 에서의 저항R(T) T Ro 기준점 에서의 저항 온도선형계수 측정온 (O ) T α

도

물질에 따라 온도선형계수 는 정해져 있으며 형태변수식 에 의한 금속의 저( ) (A)α

항 값이 높을수록 온도변화에 대한 저항변화 값이 증가하여 정확한 온도를 측정할

수 있다 소자의 경향에 따라 작은 크기의 미세소자로 원하는 기능을 輕薄短小化

얻고자 하는 것이 기술적인 경향이다 따라서 박막 기술을 이용한 금속 박막 온도

센서의 제작이 활발히 이루어지고 있으며 일부 제품의 경우 제품화되어 사용되고

있다 금속의 종류에 따라 특성을 나타내기 위한 최소의 박막 두께가 정해지 bulk

며 일정 두께 이하에서는 특성을 나타내지 못하게 된다 따라서 안정한 소자bulk

를 얻기 위해서는 일정 두께 이상의 박막두께가 필요하게 된다5) 백금저항소자의

경우 마이크로미터 이상의 두께가 필요한 것으로 알려져 있다 박막의 두께가10

일정할 때 저항 값의 조절은 패턴의 선폭에 의하여 조절되게 된다 이러한 선폭을

조절하기 위하여 기존에 사용되는 방법은 레이저트리밍 습식 식각 건식 식각 등의

방법이 사용된다 선폭의 조절이나 소자의 열화와 같은 문제가 발생할 수 있다

- 28 -

본 과제에서는 박막형 온도센서 제작에 있어 실리콘 기판위에 절연층의 식각을 통

해 원하는 패턴을 미리 형성하고 금속을 증착하여 온도센서를 제조함으로써 백금박

막의 저항조절을 용이하게 하고 소자의 내구성 향상과 소자크기를 소형화한 온도센

서를 제작하고자 하였다 그림 는 본 과제의 온도센서 제조공정을 나타내는 그림 5

이다 공정의 용이성에 따라 절연막 코팅을 패드보호막 형성 이후에 진행할 수도

있다

그림 당 과제에서 개발한 매립형 백금박막 온도센서 제조공정 모식도 5

- 29 -

제 절 소자 평가4

백금저항 온도센서의 여러 가지 물성 측정은 규정에 따른다KS C 1603-1991 19)

이에 따르면 온도특성 전기적 특성 기계적 특성에 대한 측정으로 크게 구별 될 수

있다 온도특성에는 온도에 대한 허용오차 안정도 자기 가열특성 등이 있으며 전

기적 특성에는 절연저항 내전압 등이 있고 기계적 특성으로는 내충격성과 내진동

성 등의 세부 항목들이 있으며 각각의 특성치를 시험하기 위한 방법이 규정되어 있

다

국제온도눈금 규격 에(ITS-1990 The International Temperature Scale of 1990)

의하면 평형수소의 삼중점 부터 은의 응고점 까지의 영역에서는(138033K) (96178)

에서 정의된 고정점들 사이를 내삽해 주는 기준함수 및 편차함수를 사용ITS-1990

하여 교정된 백금저항온도계에 의해 정의되도록 하고 있다 따라서 온도센서의 검

교정은 사용영역 내에서의 고정점들과 표준온도계의 온도저항 특성을 비교함으로써

얻을 수 있다 본 과제에서는 제작된 온도센서 및 상용센서의 평가를 위해 한국표

준과학연구원의 온도연구실에 있는 장비를 이용하였다 리드선의 저항오차를 최대

한 줄이기 위해 선 결선 방법을 택하였으며 리드선으로 직경 의 백금 선4 02 mm

을 사용하였다 물의 삼중점 주석의 녹는점 아연의 녹는점 등의 고정점 개와 항 3

온조를 이용한 50~ 도 사이의 온도 범위에서 측정점을 정하여 백금표준온도450

저항값과 제작된 온도센서의 저항값을 측정하여 온도선형계수 및 고온에서의 허용

오차 등을 측정하였다 측정조건은 를 사용하여 규정전류 HP 3458 multimeter 1mA

를 회로상에 흐르도록 구성한 뒤 저항값을 소수 째 자리까지 측정하여 유효 숫자4

는 소수 자리까지 사용하였다 일정한 온도를 얻기 위하여 사용되는 항온조는 온3

도영역에 따라 이하의 저온 영역은 알콜 영역에서는 에틸렌 글리0 0~100

콜 은 실리콘 오일을 사용하였으며 원하는 온도에 이른 후 평형을 100~200

위하여 분 이상 기다린 다음 표준저항기와 온도센서의 저항값을 각각 회씩 측30 3

정하여 평균값을 취하였다

- 30 -

에서는 저항기의 기준값으로 를 물의 삼중점 의 저ITS-1990 R (27316K=001 )

항 값으로 취하고 있다 정점의 실현은 녹는점 또는 어는점에서 잠열의 출입과 관

계없이 일정한 온도를 유지하는 특성을 이용한 것으로 녹는점 부근에서의 열량 조

절이 매우 중요하다 주석과 아연의 녹는점 실현을 위한 로는 석영관 내부에 주석

과 아연이 들어 있는 가 있고 표준저항기와 측정하고자 하는 온도센서thermal bath

가 들어가 있는 작은 석영관으로 이루어진 이중 구조로 되어있다 녹는점의 실현

을 위해서는 정밀한 저항 조절을 통한 온도제어가 필요하다 이를 위해 사용되는

기기로는 등이 사용되는데 이는current comparator resistance bridge 10-7 ohm

정도의 저항 조절이 가능한 장비이며 이를 온도로 환산하면 정도의 고정001mK

밀도를 가진다

- 31 -

제 장 기술개발결과3

- 32 -

제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금 박막의 필요성1

백금 박막은 백금 자체의 온도 저항 특성을 이용한 온도센서 및 로서의 응용 heater

과 촉매로서의 활용도 활발하게 이루어지고 있다 박막온도센서로의 응용을 위해서

는 온도변화에 따른 저항 변화계수(Temperature Coefficient of Resistance TCR)

가 중요한데 규정값(38510-3 이상의 을 얻기 위해서는 백금의 두께가 ) TCR 1

이상이 되어야 한다고 알려져 있다 5) 그림 은 백금박막의 두께에 따른 의6 TCR

변화를 나타내는 그림이다 은 두께뿐만 아니라 백금 박막의 미세구조 불순물 TCR

기판의 열팽창 계수 등 여러 가지 요인에 의존한다 이러한 여러 변수 중 두께 및

미세구조 조절은 순도와 함께 최적의 온도 저항 계수를 위한 중요 변수로 작용하는

것으로 알려져 있다18-20)

그림 두께에 따른 온도저항계수의 변화 6 5)

실리콘 기판 위의 백금증착은 앞서 설명한 바와 같이 열팽창 계수의 차이 부착력

문제 등으로 원하는 을 얻기 어렵다 백금의 열팽창 계수는TCR 8910-6 로 경우degc

실리콘에(2610-6 비해 높은 값을 가지며 온도 에서 다음과 같은 저항체 길degC) T

이의 변화를 유발하게 된다

- 33 -

L(T)=L(o)(1+ (Tα t-To)

백금과 기판의 열팽창 계수 차이 온도 Tα

특히 기판의 열팽창 계수가 작으면 백금저항의 감소를 유발하게 되어 저하의 TCR

원인이 된다 따라서 기존 상용제품의 경우 대부분이 백금과 열팽창 계수 차이가

없고 부착력이 좋은 알루미나를 기판재료로 사용하고 있다 본 과제의 거대 입성장

된 백금박막은 이러한 열팽창 계수의 차이에서 오는 부의 효과를 미세구조의 조절

을 통해 극복하고자 하였다

에 영향을 미치는 접착증을 사용하지 않으면서 백금박막의 접착력 증진을 위TCR

한 방법은 기존의 이노스텍 특허 기술을 이용하여 증착할 수 있다36) 이 경우 백금

박막의 미세구조는 그림 과 같이 일반적인 구조의 백금박막을 얻을 수7 columnar

있다 그러나 이 경우 은 TCR 38010-3 정도로 온도센서로 사용가능한 규격 인

38010-3 에 크게 못 미침을 예비 실험을 통하여 알 수 있었다

그림 일반적인 백금박막의 미세구조를 나타내는 전자 현미경 사진 7

- 34 -

또한 승온과 냉각과정에서 같은 온도에서의 저항값이 서로 다른 특성을hysteresis

나타내었다 이는 온도의 상승에 따라 열팽창계수의 차이에 의한 응력이나 접착력

변화에서 기인되는 문제로 생각되었다 백금 박막의 미세구조를 단결정에 가깝게

제작할 수 있다면 입계면에서의 에 기인하는 저항변화 를 제거 할 수scatting factor

있다 본 과제에서는 이를 위하여 백금의 거대입성장 현상을 이용하여 두께 에 1

서 수 의 입자크기를 갖는 백금박막을 온도센서 소자로 사용하였다 거대입mm~cm

성장 박막의 증착 조건 등은 표 에 표시하였다6

- 35 -

거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

- 36 -

그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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

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18) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 24 -

일반적으로 스퍼터링에 사용되는 가스는 타게트 물질과의 반응을 방지하기 위하여

불활성 가스 를 사용한다 금속 타게트와 플라즈마 가스와의 반응을 이(Ar Kr Xe)

용한 에서는 반응가스로reactive sputtering O2를 첨가하기도 한다28) 본 연구에서

는 스퍼터링 가스로 아르곤과 아르곤 산소 가지를 사용하였으며 기판온도는 상온+ 2

으로 고정 시켰다 가스압은 증착 는 증착된 백금 1-22 mTorr power 100-250W

박막의 비저항은 를 이용하여 면저항을 측정한 후 을 이용하4 point probe -stepα

여 측정한 두께를 곱하여 구하였다 기판으로 사용된 실리콘 웨이퍼는 thermal

법으로 의oxidation 15 SiO 2 산화막이 증착된 이다P-type Si(100)

박막증착1

증착은 기판온도 가스압력 증착 뿐만 아니라 챔버의Sputtering power geometry

도 중요한 변수 중의 하나이다 예비 실험결과 아르곤만을 가지고 제작한 온도센서

는 기판과의 부착력이 나쁘고 온도선형성이나 온도저항계수 등 제반 사항이 온도센

서 제작에는 맞지 않은 것으로 판명되었다 또한 본 과제에서 기판과의 열팽창 계

수 차이에서 오는 온도저항계수의 저하를 백금미세구조 제어로 해결하고자 하였다

즉 백금박막의 거대입성장을 유도하여 거대입자로 구성된 온도센서를 제작하였다

거대입성장을 얻기 위한 공정은 기존의 실험결과를 바탕으로 다음과 같은 최적 조

건에서 박막을 증착하였다

표 온도센서 제작을 위한 백금박막의 최적 증착조건6

기판온도 가스비 아르곤 산소( ) 증착압력 증착power 비고

상온 1915(SCCM) 5 mTorr 170W

- 25 -

증착박막의 열처리2

증착된 박막의 열처리는 일반적인 전기로를 사용하였으며 공기중에서 600~1200

영역에서 한 시간 동안 열처리 하였다 열처리 조건에 따른 의 변화에 대한 많 TCR

은 보고가 있으나 본 실험에서는 한 시간으로 고정하였다24-2529) 이는 본 과제에

적용된 거대입성장 백금박막의 경우 시간에 따른 미세구조나 물성 차이를 보이지

않기 때문이었다 또한 백금증착시 산소를 점가하는 경우 백금산화물이 형성되거나

비저항 값이 증가하므로 열처리를 통해 증착 중 첨가된 산소를 박막외부로 확산시

켜야 한다 백금산화물의 경우 반도체 산화물로서 온도저항계수가 음의 값을 갖는

다2430-33) 이러한 산소의 탈착거동을 알아보기 위해 미소열량계를 이용하여 산소의

탈착거동을 관찰하였으며 소광계수의 변화 등을 관찰하였다 소광계수 측정을 위한

박막의 열처리는 진공분위기 에서 써머커플을 기판에 접촉시켜 측정하였(50 mTorr)

다

박막의 물성 측정3

두께 및 비저항 측정3-1

박막의 두께는 사의 을 이용하여 측정하였다 시편에 를 내Tencor -step scratchα

서 박막이 일부를 제거한 후 그 단차를 측정하여 두께를 측정한 후 4-point probe

로 측정한 면저항 값을 곱하여 비저항 값을 얻었다

미세구조 관찰3-2

박막의 입자크기는 이하이므로AS-depo 1000 TEM(Transmission ElectronÅ

관찰을 하였다 슬라이드에 시편을 붙이고 사포를 이용하여 이하Microscopy) 80

까지 연마한 후 하였다 한 시편을 직경 의 에 부착시dimpling dimpling 3 Cu grid

켜 을 하며 이 과정에서 입자충돌에 따른 국부적인 온도상승에 의한 박ion milling

막의 미세구조 변화를 막기 위해 액체질소를 이용하여 냉각하였다 열처리이후에는

를 이용하여 미세구조를 관찰하였다 거대입SEM(Scanning Electron Microscope)

성장의 관찰을 위해서는 광학현미경을 이용하여 입계를 관찰한 후 으로 보다SEM

자세한 입계면과 미세구조를 관찰하였다

결정성 분석3-3

박막의 결정성과 백금산화물의 상형성을 알아보기 위해 정도의 시편을 만1 x1

들어 사의 선 회절기로 을 얻었다 는MAC science X XRD pattern X-ray Cu Ka line

을 사용하였다( =15405 ) λ Å

- 26 -

첨가가스의 탈착 거동3-4

산소가스의 탈착 거동은 미세 열량분석계 와 를 이용하였다(DTA) ellipsometer DTA

는 반응생성물에 따라 계에 출입하는 미세 열량변화를 측정하여 계의 화학 반응온

도 등을 측정할 수 있는 측정 장비이다 는 특수한 광도계 Ellipsometer (

의 하나이며 빛의 편광상태의 변화를 측정하여 표면 및 박막의 구조와photometry)

물성 물질의 광특성 등을 연구하는데 사용되는 정밀 측정 기기이다

시료의 물성과 구조에 따라 반사 또는 투과광의 편광상태는 예민하게 변하므로 편

광상태 변화의 측정 및 분석을 통하여 시료의 물성과 구조에 대한 정보를 정밀하게

얻을 수 있어서 반도체 산업에서 산화막의 두께 및 두께 분포의 측정을 포함하여

박막 등의 분석에 널리 이용되고 있다

최근 반도체 광학재료의 제조 공정에 있어서 공정 제어를 위한 실시간 측정의 필

요성이 증대되고 있다 이에 따라 시료의 표면 상태와 박막의 구조 해석에 뛰어난

능력이 인정된 타원해석기를 이용하는 사례가 증가하고 있다

는 크게 나누어 와 단파장Ellipsometer spectroscopic ellipsometer(SE)

로 나눌 수 있는데 는 구조가 복잡하거나 물성이 알려져 있지 않은ellipsometer SE

시료의 기계적 두께 전자적 흡수단 구조 해석에 유리하지만 증착 에칭 열처리( ) ( )

표면반응 등의 공정 관측에는 거의 연속적인 데이터 획득이 유리한 단파장 타원해

석기가 널이 이용되고 있다 본 과제에서는 반사된 광원의 와 를 측정하 tan cosψ

여 굴절율 과 소광계수 값을 측정하였다(n) (k)

- 27 -

제 절 패턴 제작 공정의 개발3

일반적으로 금속의 저항은 다음의 식으로 표시된다

R = p(LA) -------------- (A)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 단면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

금속의 저항은 위와 같은 형태학적인 변수 외에 온도 등에도 의존하게 되는데 Pt

등의 경우 이러한 금속의 저항이 온도에 대해 선형적으로 증가하는 특Ni Cu W

성을 가지고 있다 이러한 온도저항 특성을 이용하여 주변의 온도를 감지하는 측온

저항체 온도센서로 많이 사용되고 있다 이러한 온도센서는 주변 온도에 대하여 다

음의 관계식을 갖는다

R(T) = R0 + TR0

온도 에서의 저항R(T) T Ro 기준점 에서의 저항 온도선형계수 측정온 (O ) T α

도

물질에 따라 온도선형계수 는 정해져 있으며 형태변수식 에 의한 금속의 저( ) (A)α

항 값이 높을수록 온도변화에 대한 저항변화 값이 증가하여 정확한 온도를 측정할

수 있다 소자의 경향에 따라 작은 크기의 미세소자로 원하는 기능을 輕薄短小化

얻고자 하는 것이 기술적인 경향이다 따라서 박막 기술을 이용한 금속 박막 온도

센서의 제작이 활발히 이루어지고 있으며 일부 제품의 경우 제품화되어 사용되고

있다 금속의 종류에 따라 특성을 나타내기 위한 최소의 박막 두께가 정해지 bulk

며 일정 두께 이하에서는 특성을 나타내지 못하게 된다 따라서 안정한 소자bulk

를 얻기 위해서는 일정 두께 이상의 박막두께가 필요하게 된다5) 백금저항소자의

경우 마이크로미터 이상의 두께가 필요한 것으로 알려져 있다 박막의 두께가10

일정할 때 저항 값의 조절은 패턴의 선폭에 의하여 조절되게 된다 이러한 선폭을

조절하기 위하여 기존에 사용되는 방법은 레이저트리밍 습식 식각 건식 식각 등의

방법이 사용된다 선폭의 조절이나 소자의 열화와 같은 문제가 발생할 수 있다

- 28 -

본 과제에서는 박막형 온도센서 제작에 있어 실리콘 기판위에 절연층의 식각을 통

해 원하는 패턴을 미리 형성하고 금속을 증착하여 온도센서를 제조함으로써 백금박

막의 저항조절을 용이하게 하고 소자의 내구성 향상과 소자크기를 소형화한 온도센

서를 제작하고자 하였다 그림 는 본 과제의 온도센서 제조공정을 나타내는 그림 5

이다 공정의 용이성에 따라 절연막 코팅을 패드보호막 형성 이후에 진행할 수도

있다

그림 당 과제에서 개발한 매립형 백금박막 온도센서 제조공정 모식도 5

- 29 -

제 절 소자 평가4

백금저항 온도센서의 여러 가지 물성 측정은 규정에 따른다KS C 1603-1991 19)

이에 따르면 온도특성 전기적 특성 기계적 특성에 대한 측정으로 크게 구별 될 수

있다 온도특성에는 온도에 대한 허용오차 안정도 자기 가열특성 등이 있으며 전

기적 특성에는 절연저항 내전압 등이 있고 기계적 특성으로는 내충격성과 내진동

성 등의 세부 항목들이 있으며 각각의 특성치를 시험하기 위한 방법이 규정되어 있

다

국제온도눈금 규격 에(ITS-1990 The International Temperature Scale of 1990)

의하면 평형수소의 삼중점 부터 은의 응고점 까지의 영역에서는(138033K) (96178)

에서 정의된 고정점들 사이를 내삽해 주는 기준함수 및 편차함수를 사용ITS-1990

하여 교정된 백금저항온도계에 의해 정의되도록 하고 있다 따라서 온도센서의 검

교정은 사용영역 내에서의 고정점들과 표준온도계의 온도저항 특성을 비교함으로써

얻을 수 있다 본 과제에서는 제작된 온도센서 및 상용센서의 평가를 위해 한국표

준과학연구원의 온도연구실에 있는 장비를 이용하였다 리드선의 저항오차를 최대

한 줄이기 위해 선 결선 방법을 택하였으며 리드선으로 직경 의 백금 선4 02 mm

을 사용하였다 물의 삼중점 주석의 녹는점 아연의 녹는점 등의 고정점 개와 항 3

온조를 이용한 50~ 도 사이의 온도 범위에서 측정점을 정하여 백금표준온도450

저항값과 제작된 온도센서의 저항값을 측정하여 온도선형계수 및 고온에서의 허용

오차 등을 측정하였다 측정조건은 를 사용하여 규정전류 HP 3458 multimeter 1mA

를 회로상에 흐르도록 구성한 뒤 저항값을 소수 째 자리까지 측정하여 유효 숫자4

는 소수 자리까지 사용하였다 일정한 온도를 얻기 위하여 사용되는 항온조는 온3

도영역에 따라 이하의 저온 영역은 알콜 영역에서는 에틸렌 글리0 0~100

콜 은 실리콘 오일을 사용하였으며 원하는 온도에 이른 후 평형을 100~200

위하여 분 이상 기다린 다음 표준저항기와 온도센서의 저항값을 각각 회씩 측30 3

정하여 평균값을 취하였다

- 30 -

에서는 저항기의 기준값으로 를 물의 삼중점 의 저ITS-1990 R (27316K=001 )

항 값으로 취하고 있다 정점의 실현은 녹는점 또는 어는점에서 잠열의 출입과 관

계없이 일정한 온도를 유지하는 특성을 이용한 것으로 녹는점 부근에서의 열량 조

절이 매우 중요하다 주석과 아연의 녹는점 실현을 위한 로는 석영관 내부에 주석

과 아연이 들어 있는 가 있고 표준저항기와 측정하고자 하는 온도센서thermal bath

가 들어가 있는 작은 석영관으로 이루어진 이중 구조로 되어있다 녹는점의 실현

을 위해서는 정밀한 저항 조절을 통한 온도제어가 필요하다 이를 위해 사용되는

기기로는 등이 사용되는데 이는current comparator resistance bridge 10-7 ohm

정도의 저항 조절이 가능한 장비이며 이를 온도로 환산하면 정도의 고정001mK

밀도를 가진다

- 31 -

제 장 기술개발결과3

- 32 -

제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금 박막의 필요성1

백금 박막은 백금 자체의 온도 저항 특성을 이용한 온도센서 및 로서의 응용 heater

과 촉매로서의 활용도 활발하게 이루어지고 있다 박막온도센서로의 응용을 위해서

는 온도변화에 따른 저항 변화계수(Temperature Coefficient of Resistance TCR)

가 중요한데 규정값(38510-3 이상의 을 얻기 위해서는 백금의 두께가 ) TCR 1

이상이 되어야 한다고 알려져 있다 5) 그림 은 백금박막의 두께에 따른 의6 TCR

변화를 나타내는 그림이다 은 두께뿐만 아니라 백금 박막의 미세구조 불순물 TCR

기판의 열팽창 계수 등 여러 가지 요인에 의존한다 이러한 여러 변수 중 두께 및

미세구조 조절은 순도와 함께 최적의 온도 저항 계수를 위한 중요 변수로 작용하는

것으로 알려져 있다18-20)

그림 두께에 따른 온도저항계수의 변화 6 5)

실리콘 기판 위의 백금증착은 앞서 설명한 바와 같이 열팽창 계수의 차이 부착력

문제 등으로 원하는 을 얻기 어렵다 백금의 열팽창 계수는TCR 8910-6 로 경우degc

실리콘에(2610-6 비해 높은 값을 가지며 온도 에서 다음과 같은 저항체 길degC) T

이의 변화를 유발하게 된다

- 33 -

L(T)=L(o)(1+ (Tα t-To)

백금과 기판의 열팽창 계수 차이 온도 Tα

특히 기판의 열팽창 계수가 작으면 백금저항의 감소를 유발하게 되어 저하의 TCR

원인이 된다 따라서 기존 상용제품의 경우 대부분이 백금과 열팽창 계수 차이가

없고 부착력이 좋은 알루미나를 기판재료로 사용하고 있다 본 과제의 거대 입성장

된 백금박막은 이러한 열팽창 계수의 차이에서 오는 부의 효과를 미세구조의 조절

을 통해 극복하고자 하였다

에 영향을 미치는 접착증을 사용하지 않으면서 백금박막의 접착력 증진을 위TCR

한 방법은 기존의 이노스텍 특허 기술을 이용하여 증착할 수 있다36) 이 경우 백금

박막의 미세구조는 그림 과 같이 일반적인 구조의 백금박막을 얻을 수7 columnar

있다 그러나 이 경우 은 TCR 38010-3 정도로 온도센서로 사용가능한 규격 인

38010-3 에 크게 못 미침을 예비 실험을 통하여 알 수 있었다

그림 일반적인 백금박막의 미세구조를 나타내는 전자 현미경 사진 7

- 34 -

또한 승온과 냉각과정에서 같은 온도에서의 저항값이 서로 다른 특성을hysteresis

나타내었다 이는 온도의 상승에 따라 열팽창계수의 차이에 의한 응력이나 접착력

변화에서 기인되는 문제로 생각되었다 백금 박막의 미세구조를 단결정에 가깝게

제작할 수 있다면 입계면에서의 에 기인하는 저항변화 를 제거 할 수scatting factor

있다 본 과제에서는 이를 위하여 백금의 거대입성장 현상을 이용하여 두께 에 1

서 수 의 입자크기를 갖는 백금박막을 온도센서 소자로 사용하였다 거대입mm~cm

성장 박막의 증착 조건 등은 표 에 표시하였다6

- 35 -

거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

- 36 -

그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

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제 장 참고 문헌5

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제 장 참고문헌5

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19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 25 -

증착박막의 열처리2

증착된 박막의 열처리는 일반적인 전기로를 사용하였으며 공기중에서 600~1200

영역에서 한 시간 동안 열처리 하였다 열처리 조건에 따른 의 변화에 대한 많 TCR

은 보고가 있으나 본 실험에서는 한 시간으로 고정하였다24-2529) 이는 본 과제에

적용된 거대입성장 백금박막의 경우 시간에 따른 미세구조나 물성 차이를 보이지

않기 때문이었다 또한 백금증착시 산소를 점가하는 경우 백금산화물이 형성되거나

비저항 값이 증가하므로 열처리를 통해 증착 중 첨가된 산소를 박막외부로 확산시

켜야 한다 백금산화물의 경우 반도체 산화물로서 온도저항계수가 음의 값을 갖는

다2430-33) 이러한 산소의 탈착거동을 알아보기 위해 미소열량계를 이용하여 산소의

탈착거동을 관찰하였으며 소광계수의 변화 등을 관찰하였다 소광계수 측정을 위한

박막의 열처리는 진공분위기 에서 써머커플을 기판에 접촉시켜 측정하였(50 mTorr)

다

박막의 물성 측정3

두께 및 비저항 측정3-1

박막의 두께는 사의 을 이용하여 측정하였다 시편에 를 내Tencor -step scratchα

서 박막이 일부를 제거한 후 그 단차를 측정하여 두께를 측정한 후 4-point probe

로 측정한 면저항 값을 곱하여 비저항 값을 얻었다

미세구조 관찰3-2

박막의 입자크기는 이하이므로AS-depo 1000 TEM(Transmission ElectronÅ

관찰을 하였다 슬라이드에 시편을 붙이고 사포를 이용하여 이하Microscopy) 80

까지 연마한 후 하였다 한 시편을 직경 의 에 부착시dimpling dimpling 3 Cu grid

켜 을 하며 이 과정에서 입자충돌에 따른 국부적인 온도상승에 의한 박ion milling

막의 미세구조 변화를 막기 위해 액체질소를 이용하여 냉각하였다 열처리이후에는

를 이용하여 미세구조를 관찰하였다 거대입SEM(Scanning Electron Microscope)

성장의 관찰을 위해서는 광학현미경을 이용하여 입계를 관찰한 후 으로 보다SEM

자세한 입계면과 미세구조를 관찰하였다

결정성 분석3-3

박막의 결정성과 백금산화물의 상형성을 알아보기 위해 정도의 시편을 만1 x1

들어 사의 선 회절기로 을 얻었다 는MAC science X XRD pattern X-ray Cu Ka line

을 사용하였다( =15405 ) λ Å

- 26 -

첨가가스의 탈착 거동3-4

산소가스의 탈착 거동은 미세 열량분석계 와 를 이용하였다(DTA) ellipsometer DTA

는 반응생성물에 따라 계에 출입하는 미세 열량변화를 측정하여 계의 화학 반응온

도 등을 측정할 수 있는 측정 장비이다 는 특수한 광도계 Ellipsometer (

의 하나이며 빛의 편광상태의 변화를 측정하여 표면 및 박막의 구조와photometry)

물성 물질의 광특성 등을 연구하는데 사용되는 정밀 측정 기기이다

시료의 물성과 구조에 따라 반사 또는 투과광의 편광상태는 예민하게 변하므로 편

광상태 변화의 측정 및 분석을 통하여 시료의 물성과 구조에 대한 정보를 정밀하게

얻을 수 있어서 반도체 산업에서 산화막의 두께 및 두께 분포의 측정을 포함하여

박막 등의 분석에 널리 이용되고 있다

최근 반도체 광학재료의 제조 공정에 있어서 공정 제어를 위한 실시간 측정의 필

요성이 증대되고 있다 이에 따라 시료의 표면 상태와 박막의 구조 해석에 뛰어난

능력이 인정된 타원해석기를 이용하는 사례가 증가하고 있다

는 크게 나누어 와 단파장Ellipsometer spectroscopic ellipsometer(SE)

로 나눌 수 있는데 는 구조가 복잡하거나 물성이 알려져 있지 않은ellipsometer SE

시료의 기계적 두께 전자적 흡수단 구조 해석에 유리하지만 증착 에칭 열처리( ) ( )

표면반응 등의 공정 관측에는 거의 연속적인 데이터 획득이 유리한 단파장 타원해

석기가 널이 이용되고 있다 본 과제에서는 반사된 광원의 와 를 측정하 tan cosψ

여 굴절율 과 소광계수 값을 측정하였다(n) (k)

- 27 -

제 절 패턴 제작 공정의 개발3

일반적으로 금속의 저항은 다음의 식으로 표시된다

R = p(LA) -------------- (A)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 단면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

금속의 저항은 위와 같은 형태학적인 변수 외에 온도 등에도 의존하게 되는데 Pt

등의 경우 이러한 금속의 저항이 온도에 대해 선형적으로 증가하는 특Ni Cu W

성을 가지고 있다 이러한 온도저항 특성을 이용하여 주변의 온도를 감지하는 측온

저항체 온도센서로 많이 사용되고 있다 이러한 온도센서는 주변 온도에 대하여 다

음의 관계식을 갖는다

R(T) = R0 + TR0

온도 에서의 저항R(T) T Ro 기준점 에서의 저항 온도선형계수 측정온 (O ) T α

도

물질에 따라 온도선형계수 는 정해져 있으며 형태변수식 에 의한 금속의 저( ) (A)α

항 값이 높을수록 온도변화에 대한 저항변화 값이 증가하여 정확한 온도를 측정할

수 있다 소자의 경향에 따라 작은 크기의 미세소자로 원하는 기능을 輕薄短小化

얻고자 하는 것이 기술적인 경향이다 따라서 박막 기술을 이용한 금속 박막 온도

센서의 제작이 활발히 이루어지고 있으며 일부 제품의 경우 제품화되어 사용되고

있다 금속의 종류에 따라 특성을 나타내기 위한 최소의 박막 두께가 정해지 bulk

며 일정 두께 이하에서는 특성을 나타내지 못하게 된다 따라서 안정한 소자bulk

를 얻기 위해서는 일정 두께 이상의 박막두께가 필요하게 된다5) 백금저항소자의

경우 마이크로미터 이상의 두께가 필요한 것으로 알려져 있다 박막의 두께가10

일정할 때 저항 값의 조절은 패턴의 선폭에 의하여 조절되게 된다 이러한 선폭을

조절하기 위하여 기존에 사용되는 방법은 레이저트리밍 습식 식각 건식 식각 등의

방법이 사용된다 선폭의 조절이나 소자의 열화와 같은 문제가 발생할 수 있다

- 28 -

본 과제에서는 박막형 온도센서 제작에 있어 실리콘 기판위에 절연층의 식각을 통

해 원하는 패턴을 미리 형성하고 금속을 증착하여 온도센서를 제조함으로써 백금박

막의 저항조절을 용이하게 하고 소자의 내구성 향상과 소자크기를 소형화한 온도센

서를 제작하고자 하였다 그림 는 본 과제의 온도센서 제조공정을 나타내는 그림 5

이다 공정의 용이성에 따라 절연막 코팅을 패드보호막 형성 이후에 진행할 수도

있다

그림 당 과제에서 개발한 매립형 백금박막 온도센서 제조공정 모식도 5

- 29 -

제 절 소자 평가4

백금저항 온도센서의 여러 가지 물성 측정은 규정에 따른다KS C 1603-1991 19)

이에 따르면 온도특성 전기적 특성 기계적 특성에 대한 측정으로 크게 구별 될 수

있다 온도특성에는 온도에 대한 허용오차 안정도 자기 가열특성 등이 있으며 전

기적 특성에는 절연저항 내전압 등이 있고 기계적 특성으로는 내충격성과 내진동

성 등의 세부 항목들이 있으며 각각의 특성치를 시험하기 위한 방법이 규정되어 있

다

국제온도눈금 규격 에(ITS-1990 The International Temperature Scale of 1990)

의하면 평형수소의 삼중점 부터 은의 응고점 까지의 영역에서는(138033K) (96178)

에서 정의된 고정점들 사이를 내삽해 주는 기준함수 및 편차함수를 사용ITS-1990

하여 교정된 백금저항온도계에 의해 정의되도록 하고 있다 따라서 온도센서의 검

교정은 사용영역 내에서의 고정점들과 표준온도계의 온도저항 특성을 비교함으로써

얻을 수 있다 본 과제에서는 제작된 온도센서 및 상용센서의 평가를 위해 한국표

준과학연구원의 온도연구실에 있는 장비를 이용하였다 리드선의 저항오차를 최대

한 줄이기 위해 선 결선 방법을 택하였으며 리드선으로 직경 의 백금 선4 02 mm

을 사용하였다 물의 삼중점 주석의 녹는점 아연의 녹는점 등의 고정점 개와 항 3

온조를 이용한 50~ 도 사이의 온도 범위에서 측정점을 정하여 백금표준온도450

저항값과 제작된 온도센서의 저항값을 측정하여 온도선형계수 및 고온에서의 허용

오차 등을 측정하였다 측정조건은 를 사용하여 규정전류 HP 3458 multimeter 1mA

를 회로상에 흐르도록 구성한 뒤 저항값을 소수 째 자리까지 측정하여 유효 숫자4

는 소수 자리까지 사용하였다 일정한 온도를 얻기 위하여 사용되는 항온조는 온3

도영역에 따라 이하의 저온 영역은 알콜 영역에서는 에틸렌 글리0 0~100

콜 은 실리콘 오일을 사용하였으며 원하는 온도에 이른 후 평형을 100~200

위하여 분 이상 기다린 다음 표준저항기와 온도센서의 저항값을 각각 회씩 측30 3

정하여 평균값을 취하였다

- 30 -

에서는 저항기의 기준값으로 를 물의 삼중점 의 저ITS-1990 R (27316K=001 )

항 값으로 취하고 있다 정점의 실현은 녹는점 또는 어는점에서 잠열의 출입과 관

계없이 일정한 온도를 유지하는 특성을 이용한 것으로 녹는점 부근에서의 열량 조

절이 매우 중요하다 주석과 아연의 녹는점 실현을 위한 로는 석영관 내부에 주석

과 아연이 들어 있는 가 있고 표준저항기와 측정하고자 하는 온도센서thermal bath

가 들어가 있는 작은 석영관으로 이루어진 이중 구조로 되어있다 녹는점의 실현

을 위해서는 정밀한 저항 조절을 통한 온도제어가 필요하다 이를 위해 사용되는

기기로는 등이 사용되는데 이는current comparator resistance bridge 10-7 ohm

정도의 저항 조절이 가능한 장비이며 이를 온도로 환산하면 정도의 고정001mK

밀도를 가진다

- 31 -

제 장 기술개발결과3

- 32 -

제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금 박막의 필요성1

백금 박막은 백금 자체의 온도 저항 특성을 이용한 온도센서 및 로서의 응용 heater

과 촉매로서의 활용도 활발하게 이루어지고 있다 박막온도센서로의 응용을 위해서

는 온도변화에 따른 저항 변화계수(Temperature Coefficient of Resistance TCR)

가 중요한데 규정값(38510-3 이상의 을 얻기 위해서는 백금의 두께가 ) TCR 1

이상이 되어야 한다고 알려져 있다 5) 그림 은 백금박막의 두께에 따른 의6 TCR

변화를 나타내는 그림이다 은 두께뿐만 아니라 백금 박막의 미세구조 불순물 TCR

기판의 열팽창 계수 등 여러 가지 요인에 의존한다 이러한 여러 변수 중 두께 및

미세구조 조절은 순도와 함께 최적의 온도 저항 계수를 위한 중요 변수로 작용하는

것으로 알려져 있다18-20)

그림 두께에 따른 온도저항계수의 변화 6 5)

실리콘 기판 위의 백금증착은 앞서 설명한 바와 같이 열팽창 계수의 차이 부착력

문제 등으로 원하는 을 얻기 어렵다 백금의 열팽창 계수는TCR 8910-6 로 경우degc

실리콘에(2610-6 비해 높은 값을 가지며 온도 에서 다음과 같은 저항체 길degC) T

이의 변화를 유발하게 된다

- 33 -

L(T)=L(o)(1+ (Tα t-To)

백금과 기판의 열팽창 계수 차이 온도 Tα

특히 기판의 열팽창 계수가 작으면 백금저항의 감소를 유발하게 되어 저하의 TCR

원인이 된다 따라서 기존 상용제품의 경우 대부분이 백금과 열팽창 계수 차이가

없고 부착력이 좋은 알루미나를 기판재료로 사용하고 있다 본 과제의 거대 입성장

된 백금박막은 이러한 열팽창 계수의 차이에서 오는 부의 효과를 미세구조의 조절

을 통해 극복하고자 하였다

에 영향을 미치는 접착증을 사용하지 않으면서 백금박막의 접착력 증진을 위TCR

한 방법은 기존의 이노스텍 특허 기술을 이용하여 증착할 수 있다36) 이 경우 백금

박막의 미세구조는 그림 과 같이 일반적인 구조의 백금박막을 얻을 수7 columnar

있다 그러나 이 경우 은 TCR 38010-3 정도로 온도센서로 사용가능한 규격 인

38010-3 에 크게 못 미침을 예비 실험을 통하여 알 수 있었다

그림 일반적인 백금박막의 미세구조를 나타내는 전자 현미경 사진 7

- 34 -

또한 승온과 냉각과정에서 같은 온도에서의 저항값이 서로 다른 특성을hysteresis

나타내었다 이는 온도의 상승에 따라 열팽창계수의 차이에 의한 응력이나 접착력

변화에서 기인되는 문제로 생각되었다 백금 박막의 미세구조를 단결정에 가깝게

제작할 수 있다면 입계면에서의 에 기인하는 저항변화 를 제거 할 수scatting factor

있다 본 과제에서는 이를 위하여 백금의 거대입성장 현상을 이용하여 두께 에 1

서 수 의 입자크기를 갖는 백금박막을 온도센서 소자로 사용하였다 거대입mm~cm

성장 박막의 증착 조건 등은 표 에 표시하였다6

- 35 -

거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

- 36 -

그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

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제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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)

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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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

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16) United States Patent No 4396899(1983)

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19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

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26) J P Holman Heat Transfer McGRAW-HILL Co p 110 (1981)

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29) Jialiang Zhang Yoshimichi Nagao Saburo Kuwano and Yoshinori to Jpn

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30) J R McBride G W Graham C R Peters and W H Weber J Appl

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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

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감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 26 -

첨가가스의 탈착 거동3-4

산소가스의 탈착 거동은 미세 열량분석계 와 를 이용하였다(DTA) ellipsometer DTA

는 반응생성물에 따라 계에 출입하는 미세 열량변화를 측정하여 계의 화학 반응온

도 등을 측정할 수 있는 측정 장비이다 는 특수한 광도계 Ellipsometer (

의 하나이며 빛의 편광상태의 변화를 측정하여 표면 및 박막의 구조와photometry)

물성 물질의 광특성 등을 연구하는데 사용되는 정밀 측정 기기이다

시료의 물성과 구조에 따라 반사 또는 투과광의 편광상태는 예민하게 변하므로 편

광상태 변화의 측정 및 분석을 통하여 시료의 물성과 구조에 대한 정보를 정밀하게

얻을 수 있어서 반도체 산업에서 산화막의 두께 및 두께 분포의 측정을 포함하여

박막 등의 분석에 널리 이용되고 있다

최근 반도체 광학재료의 제조 공정에 있어서 공정 제어를 위한 실시간 측정의 필

요성이 증대되고 있다 이에 따라 시료의 표면 상태와 박막의 구조 해석에 뛰어난

능력이 인정된 타원해석기를 이용하는 사례가 증가하고 있다

는 크게 나누어 와 단파장Ellipsometer spectroscopic ellipsometer(SE)

로 나눌 수 있는데 는 구조가 복잡하거나 물성이 알려져 있지 않은ellipsometer SE

시료의 기계적 두께 전자적 흡수단 구조 해석에 유리하지만 증착 에칭 열처리( ) ( )

표면반응 등의 공정 관측에는 거의 연속적인 데이터 획득이 유리한 단파장 타원해

석기가 널이 이용되고 있다 본 과제에서는 반사된 광원의 와 를 측정하 tan cosψ

여 굴절율 과 소광계수 값을 측정하였다(n) (k)

- 27 -

제 절 패턴 제작 공정의 개발3

일반적으로 금속의 저항은 다음의 식으로 표시된다

R = p(LA) -------------- (A)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 단면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

금속의 저항은 위와 같은 형태학적인 변수 외에 온도 등에도 의존하게 되는데 Pt

등의 경우 이러한 금속의 저항이 온도에 대해 선형적으로 증가하는 특Ni Cu W

성을 가지고 있다 이러한 온도저항 특성을 이용하여 주변의 온도를 감지하는 측온

저항체 온도센서로 많이 사용되고 있다 이러한 온도센서는 주변 온도에 대하여 다

음의 관계식을 갖는다

R(T) = R0 + TR0

온도 에서의 저항R(T) T Ro 기준점 에서의 저항 온도선형계수 측정온 (O ) T α

도

물질에 따라 온도선형계수 는 정해져 있으며 형태변수식 에 의한 금속의 저( ) (A)α

항 값이 높을수록 온도변화에 대한 저항변화 값이 증가하여 정확한 온도를 측정할

수 있다 소자의 경향에 따라 작은 크기의 미세소자로 원하는 기능을 輕薄短小化

얻고자 하는 것이 기술적인 경향이다 따라서 박막 기술을 이용한 금속 박막 온도

센서의 제작이 활발히 이루어지고 있으며 일부 제품의 경우 제품화되어 사용되고

있다 금속의 종류에 따라 특성을 나타내기 위한 최소의 박막 두께가 정해지 bulk

며 일정 두께 이하에서는 특성을 나타내지 못하게 된다 따라서 안정한 소자bulk

를 얻기 위해서는 일정 두께 이상의 박막두께가 필요하게 된다5) 백금저항소자의

경우 마이크로미터 이상의 두께가 필요한 것으로 알려져 있다 박막의 두께가10

일정할 때 저항 값의 조절은 패턴의 선폭에 의하여 조절되게 된다 이러한 선폭을

조절하기 위하여 기존에 사용되는 방법은 레이저트리밍 습식 식각 건식 식각 등의

방법이 사용된다 선폭의 조절이나 소자의 열화와 같은 문제가 발생할 수 있다

- 28 -

본 과제에서는 박막형 온도센서 제작에 있어 실리콘 기판위에 절연층의 식각을 통

해 원하는 패턴을 미리 형성하고 금속을 증착하여 온도센서를 제조함으로써 백금박

막의 저항조절을 용이하게 하고 소자의 내구성 향상과 소자크기를 소형화한 온도센

서를 제작하고자 하였다 그림 는 본 과제의 온도센서 제조공정을 나타내는 그림 5

이다 공정의 용이성에 따라 절연막 코팅을 패드보호막 형성 이후에 진행할 수도

있다

그림 당 과제에서 개발한 매립형 백금박막 온도센서 제조공정 모식도 5

- 29 -

제 절 소자 평가4

백금저항 온도센서의 여러 가지 물성 측정은 규정에 따른다KS C 1603-1991 19)

이에 따르면 온도특성 전기적 특성 기계적 특성에 대한 측정으로 크게 구별 될 수

있다 온도특성에는 온도에 대한 허용오차 안정도 자기 가열특성 등이 있으며 전

기적 특성에는 절연저항 내전압 등이 있고 기계적 특성으로는 내충격성과 내진동

성 등의 세부 항목들이 있으며 각각의 특성치를 시험하기 위한 방법이 규정되어 있

다

국제온도눈금 규격 에(ITS-1990 The International Temperature Scale of 1990)

의하면 평형수소의 삼중점 부터 은의 응고점 까지의 영역에서는(138033K) (96178)

에서 정의된 고정점들 사이를 내삽해 주는 기준함수 및 편차함수를 사용ITS-1990

하여 교정된 백금저항온도계에 의해 정의되도록 하고 있다 따라서 온도센서의 검

교정은 사용영역 내에서의 고정점들과 표준온도계의 온도저항 특성을 비교함으로써

얻을 수 있다 본 과제에서는 제작된 온도센서 및 상용센서의 평가를 위해 한국표

준과학연구원의 온도연구실에 있는 장비를 이용하였다 리드선의 저항오차를 최대

한 줄이기 위해 선 결선 방법을 택하였으며 리드선으로 직경 의 백금 선4 02 mm

을 사용하였다 물의 삼중점 주석의 녹는점 아연의 녹는점 등의 고정점 개와 항 3

온조를 이용한 50~ 도 사이의 온도 범위에서 측정점을 정하여 백금표준온도450

저항값과 제작된 온도센서의 저항값을 측정하여 온도선형계수 및 고온에서의 허용

오차 등을 측정하였다 측정조건은 를 사용하여 규정전류 HP 3458 multimeter 1mA

를 회로상에 흐르도록 구성한 뒤 저항값을 소수 째 자리까지 측정하여 유효 숫자4

는 소수 자리까지 사용하였다 일정한 온도를 얻기 위하여 사용되는 항온조는 온3

도영역에 따라 이하의 저온 영역은 알콜 영역에서는 에틸렌 글리0 0~100

콜 은 실리콘 오일을 사용하였으며 원하는 온도에 이른 후 평형을 100~200

위하여 분 이상 기다린 다음 표준저항기와 온도센서의 저항값을 각각 회씩 측30 3

정하여 평균값을 취하였다

- 30 -

에서는 저항기의 기준값으로 를 물의 삼중점 의 저ITS-1990 R (27316K=001 )

항 값으로 취하고 있다 정점의 실현은 녹는점 또는 어는점에서 잠열의 출입과 관

계없이 일정한 온도를 유지하는 특성을 이용한 것으로 녹는점 부근에서의 열량 조

절이 매우 중요하다 주석과 아연의 녹는점 실현을 위한 로는 석영관 내부에 주석

과 아연이 들어 있는 가 있고 표준저항기와 측정하고자 하는 온도센서thermal bath

가 들어가 있는 작은 석영관으로 이루어진 이중 구조로 되어있다 녹는점의 실현

을 위해서는 정밀한 저항 조절을 통한 온도제어가 필요하다 이를 위해 사용되는

기기로는 등이 사용되는데 이는current comparator resistance bridge 10-7 ohm

정도의 저항 조절이 가능한 장비이며 이를 온도로 환산하면 정도의 고정001mK

밀도를 가진다

- 31 -

제 장 기술개발결과3

- 32 -

제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금 박막의 필요성1

백금 박막은 백금 자체의 온도 저항 특성을 이용한 온도센서 및 로서의 응용 heater

과 촉매로서의 활용도 활발하게 이루어지고 있다 박막온도센서로의 응용을 위해서

는 온도변화에 따른 저항 변화계수(Temperature Coefficient of Resistance TCR)

가 중요한데 규정값(38510-3 이상의 을 얻기 위해서는 백금의 두께가 ) TCR 1

이상이 되어야 한다고 알려져 있다 5) 그림 은 백금박막의 두께에 따른 의6 TCR

변화를 나타내는 그림이다 은 두께뿐만 아니라 백금 박막의 미세구조 불순물 TCR

기판의 열팽창 계수 등 여러 가지 요인에 의존한다 이러한 여러 변수 중 두께 및

미세구조 조절은 순도와 함께 최적의 온도 저항 계수를 위한 중요 변수로 작용하는

것으로 알려져 있다18-20)

그림 두께에 따른 온도저항계수의 변화 6 5)

실리콘 기판 위의 백금증착은 앞서 설명한 바와 같이 열팽창 계수의 차이 부착력

문제 등으로 원하는 을 얻기 어렵다 백금의 열팽창 계수는TCR 8910-6 로 경우degc

실리콘에(2610-6 비해 높은 값을 가지며 온도 에서 다음과 같은 저항체 길degC) T

이의 변화를 유발하게 된다

- 33 -

L(T)=L(o)(1+ (Tα t-To)

백금과 기판의 열팽창 계수 차이 온도 Tα

특히 기판의 열팽창 계수가 작으면 백금저항의 감소를 유발하게 되어 저하의 TCR

원인이 된다 따라서 기존 상용제품의 경우 대부분이 백금과 열팽창 계수 차이가

없고 부착력이 좋은 알루미나를 기판재료로 사용하고 있다 본 과제의 거대 입성장

된 백금박막은 이러한 열팽창 계수의 차이에서 오는 부의 효과를 미세구조의 조절

을 통해 극복하고자 하였다

에 영향을 미치는 접착증을 사용하지 않으면서 백금박막의 접착력 증진을 위TCR

한 방법은 기존의 이노스텍 특허 기술을 이용하여 증착할 수 있다36) 이 경우 백금

박막의 미세구조는 그림 과 같이 일반적인 구조의 백금박막을 얻을 수7 columnar

있다 그러나 이 경우 은 TCR 38010-3 정도로 온도센서로 사용가능한 규격 인

38010-3 에 크게 못 미침을 예비 실험을 통하여 알 수 있었다

그림 일반적인 백금박막의 미세구조를 나타내는 전자 현미경 사진 7

- 34 -

또한 승온과 냉각과정에서 같은 온도에서의 저항값이 서로 다른 특성을hysteresis

나타내었다 이는 온도의 상승에 따라 열팽창계수의 차이에 의한 응력이나 접착력

변화에서 기인되는 문제로 생각되었다 백금 박막의 미세구조를 단결정에 가깝게

제작할 수 있다면 입계면에서의 에 기인하는 저항변화 를 제거 할 수scatting factor

있다 본 과제에서는 이를 위하여 백금의 거대입성장 현상을 이용하여 두께 에 1

서 수 의 입자크기를 갖는 백금박막을 온도센서 소자로 사용하였다 거대입mm~cm

성장 박막의 증착 조건 등은 표 에 표시하였다6

- 35 -

거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

- 36 -

그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 27 -

제 절 패턴 제작 공정의 개발3

일반적으로 금속의 저항은 다음의 식으로 표시된다

R = p(LA) -------------- (A)

저항 비저항 저항체 길이 저항체 단면적R ( ) p ( cm) L AΩ Ω

금속의 저항은 위와 같은 형태학적인 변수 외에 온도 등에도 의존하게 되는데 Pt

등의 경우 이러한 금속의 저항이 온도에 대해 선형적으로 증가하는 특Ni Cu W

성을 가지고 있다 이러한 온도저항 특성을 이용하여 주변의 온도를 감지하는 측온

저항체 온도센서로 많이 사용되고 있다 이러한 온도센서는 주변 온도에 대하여 다

음의 관계식을 갖는다

R(T) = R0 + TR0

온도 에서의 저항R(T) T Ro 기준점 에서의 저항 온도선형계수 측정온 (O ) T α

도

물질에 따라 온도선형계수 는 정해져 있으며 형태변수식 에 의한 금속의 저( ) (A)α

항 값이 높을수록 온도변화에 대한 저항변화 값이 증가하여 정확한 온도를 측정할

수 있다 소자의 경향에 따라 작은 크기의 미세소자로 원하는 기능을 輕薄短小化

얻고자 하는 것이 기술적인 경향이다 따라서 박막 기술을 이용한 금속 박막 온도

센서의 제작이 활발히 이루어지고 있으며 일부 제품의 경우 제품화되어 사용되고

있다 금속의 종류에 따라 특성을 나타내기 위한 최소의 박막 두께가 정해지 bulk

며 일정 두께 이하에서는 특성을 나타내지 못하게 된다 따라서 안정한 소자bulk

를 얻기 위해서는 일정 두께 이상의 박막두께가 필요하게 된다5) 백금저항소자의

경우 마이크로미터 이상의 두께가 필요한 것으로 알려져 있다 박막의 두께가10

일정할 때 저항 값의 조절은 패턴의 선폭에 의하여 조절되게 된다 이러한 선폭을

조절하기 위하여 기존에 사용되는 방법은 레이저트리밍 습식 식각 건식 식각 등의

방법이 사용된다 선폭의 조절이나 소자의 열화와 같은 문제가 발생할 수 있다

- 28 -

본 과제에서는 박막형 온도센서 제작에 있어 실리콘 기판위에 절연층의 식각을 통

해 원하는 패턴을 미리 형성하고 금속을 증착하여 온도센서를 제조함으로써 백금박

막의 저항조절을 용이하게 하고 소자의 내구성 향상과 소자크기를 소형화한 온도센

서를 제작하고자 하였다 그림 는 본 과제의 온도센서 제조공정을 나타내는 그림 5

이다 공정의 용이성에 따라 절연막 코팅을 패드보호막 형성 이후에 진행할 수도

있다

그림 당 과제에서 개발한 매립형 백금박막 온도센서 제조공정 모식도 5

- 29 -

제 절 소자 평가4

백금저항 온도센서의 여러 가지 물성 측정은 규정에 따른다KS C 1603-1991 19)

이에 따르면 온도특성 전기적 특성 기계적 특성에 대한 측정으로 크게 구별 될 수

있다 온도특성에는 온도에 대한 허용오차 안정도 자기 가열특성 등이 있으며 전

기적 특성에는 절연저항 내전압 등이 있고 기계적 특성으로는 내충격성과 내진동

성 등의 세부 항목들이 있으며 각각의 특성치를 시험하기 위한 방법이 규정되어 있

다

국제온도눈금 규격 에(ITS-1990 The International Temperature Scale of 1990)

의하면 평형수소의 삼중점 부터 은의 응고점 까지의 영역에서는(138033K) (96178)

에서 정의된 고정점들 사이를 내삽해 주는 기준함수 및 편차함수를 사용ITS-1990

하여 교정된 백금저항온도계에 의해 정의되도록 하고 있다 따라서 온도센서의 검

교정은 사용영역 내에서의 고정점들과 표준온도계의 온도저항 특성을 비교함으로써

얻을 수 있다 본 과제에서는 제작된 온도센서 및 상용센서의 평가를 위해 한국표

준과학연구원의 온도연구실에 있는 장비를 이용하였다 리드선의 저항오차를 최대

한 줄이기 위해 선 결선 방법을 택하였으며 리드선으로 직경 의 백금 선4 02 mm

을 사용하였다 물의 삼중점 주석의 녹는점 아연의 녹는점 등의 고정점 개와 항 3

온조를 이용한 50~ 도 사이의 온도 범위에서 측정점을 정하여 백금표준온도450

저항값과 제작된 온도센서의 저항값을 측정하여 온도선형계수 및 고온에서의 허용

오차 등을 측정하였다 측정조건은 를 사용하여 규정전류 HP 3458 multimeter 1mA

를 회로상에 흐르도록 구성한 뒤 저항값을 소수 째 자리까지 측정하여 유효 숫자4

는 소수 자리까지 사용하였다 일정한 온도를 얻기 위하여 사용되는 항온조는 온3

도영역에 따라 이하의 저온 영역은 알콜 영역에서는 에틸렌 글리0 0~100

콜 은 실리콘 오일을 사용하였으며 원하는 온도에 이른 후 평형을 100~200

위하여 분 이상 기다린 다음 표준저항기와 온도센서의 저항값을 각각 회씩 측30 3

정하여 평균값을 취하였다

- 30 -

에서는 저항기의 기준값으로 를 물의 삼중점 의 저ITS-1990 R (27316K=001 )

항 값으로 취하고 있다 정점의 실현은 녹는점 또는 어는점에서 잠열의 출입과 관

계없이 일정한 온도를 유지하는 특성을 이용한 것으로 녹는점 부근에서의 열량 조

절이 매우 중요하다 주석과 아연의 녹는점 실현을 위한 로는 석영관 내부에 주석

과 아연이 들어 있는 가 있고 표준저항기와 측정하고자 하는 온도센서thermal bath

가 들어가 있는 작은 석영관으로 이루어진 이중 구조로 되어있다 녹는점의 실현

을 위해서는 정밀한 저항 조절을 통한 온도제어가 필요하다 이를 위해 사용되는

기기로는 등이 사용되는데 이는current comparator resistance bridge 10-7 ohm

정도의 저항 조절이 가능한 장비이며 이를 온도로 환산하면 정도의 고정001mK

밀도를 가진다

- 31 -

제 장 기술개발결과3

- 32 -

제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금 박막의 필요성1

백금 박막은 백금 자체의 온도 저항 특성을 이용한 온도센서 및 로서의 응용 heater

과 촉매로서의 활용도 활발하게 이루어지고 있다 박막온도센서로의 응용을 위해서

는 온도변화에 따른 저항 변화계수(Temperature Coefficient of Resistance TCR)

가 중요한데 규정값(38510-3 이상의 을 얻기 위해서는 백금의 두께가 ) TCR 1

이상이 되어야 한다고 알려져 있다 5) 그림 은 백금박막의 두께에 따른 의6 TCR

변화를 나타내는 그림이다 은 두께뿐만 아니라 백금 박막의 미세구조 불순물 TCR

기판의 열팽창 계수 등 여러 가지 요인에 의존한다 이러한 여러 변수 중 두께 및

미세구조 조절은 순도와 함께 최적의 온도 저항 계수를 위한 중요 변수로 작용하는

것으로 알려져 있다18-20)

그림 두께에 따른 온도저항계수의 변화 6 5)

실리콘 기판 위의 백금증착은 앞서 설명한 바와 같이 열팽창 계수의 차이 부착력

문제 등으로 원하는 을 얻기 어렵다 백금의 열팽창 계수는TCR 8910-6 로 경우degc

실리콘에(2610-6 비해 높은 값을 가지며 온도 에서 다음과 같은 저항체 길degC) T

이의 변화를 유발하게 된다

- 33 -

L(T)=L(o)(1+ (Tα t-To)

백금과 기판의 열팽창 계수 차이 온도 Tα

특히 기판의 열팽창 계수가 작으면 백금저항의 감소를 유발하게 되어 저하의 TCR

원인이 된다 따라서 기존 상용제품의 경우 대부분이 백금과 열팽창 계수 차이가

없고 부착력이 좋은 알루미나를 기판재료로 사용하고 있다 본 과제의 거대 입성장

된 백금박막은 이러한 열팽창 계수의 차이에서 오는 부의 효과를 미세구조의 조절

을 통해 극복하고자 하였다

에 영향을 미치는 접착증을 사용하지 않으면서 백금박막의 접착력 증진을 위TCR

한 방법은 기존의 이노스텍 특허 기술을 이용하여 증착할 수 있다36) 이 경우 백금

박막의 미세구조는 그림 과 같이 일반적인 구조의 백금박막을 얻을 수7 columnar

있다 그러나 이 경우 은 TCR 38010-3 정도로 온도센서로 사용가능한 규격 인

38010-3 에 크게 못 미침을 예비 실험을 통하여 알 수 있었다

그림 일반적인 백금박막의 미세구조를 나타내는 전자 현미경 사진 7

- 34 -

또한 승온과 냉각과정에서 같은 온도에서의 저항값이 서로 다른 특성을hysteresis

나타내었다 이는 온도의 상승에 따라 열팽창계수의 차이에 의한 응력이나 접착력

변화에서 기인되는 문제로 생각되었다 백금 박막의 미세구조를 단결정에 가깝게

제작할 수 있다면 입계면에서의 에 기인하는 저항변화 를 제거 할 수scatting factor

있다 본 과제에서는 이를 위하여 백금의 거대입성장 현상을 이용하여 두께 에 1

서 수 의 입자크기를 갖는 백금박막을 온도센서 소자로 사용하였다 거대입mm~cm

성장 박막의 증착 조건 등은 표 에 표시하였다6

- 35 -

거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

- 36 -

그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

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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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 28 -

본 과제에서는 박막형 온도센서 제작에 있어 실리콘 기판위에 절연층의 식각을 통

해 원하는 패턴을 미리 형성하고 금속을 증착하여 온도센서를 제조함으로써 백금박

막의 저항조절을 용이하게 하고 소자의 내구성 향상과 소자크기를 소형화한 온도센

서를 제작하고자 하였다 그림 는 본 과제의 온도센서 제조공정을 나타내는 그림 5

이다 공정의 용이성에 따라 절연막 코팅을 패드보호막 형성 이후에 진행할 수도

있다

그림 당 과제에서 개발한 매립형 백금박막 온도센서 제조공정 모식도 5

- 29 -

제 절 소자 평가4

백금저항 온도센서의 여러 가지 물성 측정은 규정에 따른다KS C 1603-1991 19)

이에 따르면 온도특성 전기적 특성 기계적 특성에 대한 측정으로 크게 구별 될 수

있다 온도특성에는 온도에 대한 허용오차 안정도 자기 가열특성 등이 있으며 전

기적 특성에는 절연저항 내전압 등이 있고 기계적 특성으로는 내충격성과 내진동

성 등의 세부 항목들이 있으며 각각의 특성치를 시험하기 위한 방법이 규정되어 있

다

국제온도눈금 규격 에(ITS-1990 The International Temperature Scale of 1990)

의하면 평형수소의 삼중점 부터 은의 응고점 까지의 영역에서는(138033K) (96178)

에서 정의된 고정점들 사이를 내삽해 주는 기준함수 및 편차함수를 사용ITS-1990

하여 교정된 백금저항온도계에 의해 정의되도록 하고 있다 따라서 온도센서의 검

교정은 사용영역 내에서의 고정점들과 표준온도계의 온도저항 특성을 비교함으로써

얻을 수 있다 본 과제에서는 제작된 온도센서 및 상용센서의 평가를 위해 한국표

준과학연구원의 온도연구실에 있는 장비를 이용하였다 리드선의 저항오차를 최대

한 줄이기 위해 선 결선 방법을 택하였으며 리드선으로 직경 의 백금 선4 02 mm

을 사용하였다 물의 삼중점 주석의 녹는점 아연의 녹는점 등의 고정점 개와 항 3

온조를 이용한 50~ 도 사이의 온도 범위에서 측정점을 정하여 백금표준온도450

저항값과 제작된 온도센서의 저항값을 측정하여 온도선형계수 및 고온에서의 허용

오차 등을 측정하였다 측정조건은 를 사용하여 규정전류 HP 3458 multimeter 1mA

를 회로상에 흐르도록 구성한 뒤 저항값을 소수 째 자리까지 측정하여 유효 숫자4

는 소수 자리까지 사용하였다 일정한 온도를 얻기 위하여 사용되는 항온조는 온3

도영역에 따라 이하의 저온 영역은 알콜 영역에서는 에틸렌 글리0 0~100

콜 은 실리콘 오일을 사용하였으며 원하는 온도에 이른 후 평형을 100~200

위하여 분 이상 기다린 다음 표준저항기와 온도센서의 저항값을 각각 회씩 측30 3

정하여 평균값을 취하였다

- 30 -

에서는 저항기의 기준값으로 를 물의 삼중점 의 저ITS-1990 R (27316K=001 )

항 값으로 취하고 있다 정점의 실현은 녹는점 또는 어는점에서 잠열의 출입과 관

계없이 일정한 온도를 유지하는 특성을 이용한 것으로 녹는점 부근에서의 열량 조

절이 매우 중요하다 주석과 아연의 녹는점 실현을 위한 로는 석영관 내부에 주석

과 아연이 들어 있는 가 있고 표준저항기와 측정하고자 하는 온도센서thermal bath

가 들어가 있는 작은 석영관으로 이루어진 이중 구조로 되어있다 녹는점의 실현

을 위해서는 정밀한 저항 조절을 통한 온도제어가 필요하다 이를 위해 사용되는

기기로는 등이 사용되는데 이는current comparator resistance bridge 10-7 ohm

정도의 저항 조절이 가능한 장비이며 이를 온도로 환산하면 정도의 고정001mK

밀도를 가진다

- 31 -

제 장 기술개발결과3

- 32 -

제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금 박막의 필요성1

백금 박막은 백금 자체의 온도 저항 특성을 이용한 온도센서 및 로서의 응용 heater

과 촉매로서의 활용도 활발하게 이루어지고 있다 박막온도센서로의 응용을 위해서

는 온도변화에 따른 저항 변화계수(Temperature Coefficient of Resistance TCR)

가 중요한데 규정값(38510-3 이상의 을 얻기 위해서는 백금의 두께가 ) TCR 1

이상이 되어야 한다고 알려져 있다 5) 그림 은 백금박막의 두께에 따른 의6 TCR

변화를 나타내는 그림이다 은 두께뿐만 아니라 백금 박막의 미세구조 불순물 TCR

기판의 열팽창 계수 등 여러 가지 요인에 의존한다 이러한 여러 변수 중 두께 및

미세구조 조절은 순도와 함께 최적의 온도 저항 계수를 위한 중요 변수로 작용하는

것으로 알려져 있다18-20)

그림 두께에 따른 온도저항계수의 변화 6 5)

실리콘 기판 위의 백금증착은 앞서 설명한 바와 같이 열팽창 계수의 차이 부착력

문제 등으로 원하는 을 얻기 어렵다 백금의 열팽창 계수는TCR 8910-6 로 경우degc

실리콘에(2610-6 비해 높은 값을 가지며 온도 에서 다음과 같은 저항체 길degC) T

이의 변화를 유발하게 된다

- 33 -

L(T)=L(o)(1+ (Tα t-To)

백금과 기판의 열팽창 계수 차이 온도 Tα

특히 기판의 열팽창 계수가 작으면 백금저항의 감소를 유발하게 되어 저하의 TCR

원인이 된다 따라서 기존 상용제품의 경우 대부분이 백금과 열팽창 계수 차이가

없고 부착력이 좋은 알루미나를 기판재료로 사용하고 있다 본 과제의 거대 입성장

된 백금박막은 이러한 열팽창 계수의 차이에서 오는 부의 효과를 미세구조의 조절

을 통해 극복하고자 하였다

에 영향을 미치는 접착증을 사용하지 않으면서 백금박막의 접착력 증진을 위TCR

한 방법은 기존의 이노스텍 특허 기술을 이용하여 증착할 수 있다36) 이 경우 백금

박막의 미세구조는 그림 과 같이 일반적인 구조의 백금박막을 얻을 수7 columnar

있다 그러나 이 경우 은 TCR 38010-3 정도로 온도센서로 사용가능한 규격 인

38010-3 에 크게 못 미침을 예비 실험을 통하여 알 수 있었다

그림 일반적인 백금박막의 미세구조를 나타내는 전자 현미경 사진 7

- 34 -

또한 승온과 냉각과정에서 같은 온도에서의 저항값이 서로 다른 특성을hysteresis

나타내었다 이는 온도의 상승에 따라 열팽창계수의 차이에 의한 응력이나 접착력

변화에서 기인되는 문제로 생각되었다 백금 박막의 미세구조를 단결정에 가깝게

제작할 수 있다면 입계면에서의 에 기인하는 저항변화 를 제거 할 수scatting factor

있다 본 과제에서는 이를 위하여 백금의 거대입성장 현상을 이용하여 두께 에 1

서 수 의 입자크기를 갖는 백금박막을 온도센서 소자로 사용하였다 거대입mm~cm

성장 박막의 증착 조건 등은 표 에 표시하였다6

- 35 -

거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

- 36 -

그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

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개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

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특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

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시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

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그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

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제 장 결론 및 기대효과4

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제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

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당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

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제 장 참고 문헌5

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제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

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제 절 소자 평가4

백금저항 온도센서의 여러 가지 물성 측정은 규정에 따른다KS C 1603-1991 19)

이에 따르면 온도특성 전기적 특성 기계적 특성에 대한 측정으로 크게 구별 될 수

있다 온도특성에는 온도에 대한 허용오차 안정도 자기 가열특성 등이 있으며 전

기적 특성에는 절연저항 내전압 등이 있고 기계적 특성으로는 내충격성과 내진동

성 등의 세부 항목들이 있으며 각각의 특성치를 시험하기 위한 방법이 규정되어 있

다

국제온도눈금 규격 에(ITS-1990 The International Temperature Scale of 1990)

의하면 평형수소의 삼중점 부터 은의 응고점 까지의 영역에서는(138033K) (96178)

에서 정의된 고정점들 사이를 내삽해 주는 기준함수 및 편차함수를 사용ITS-1990

하여 교정된 백금저항온도계에 의해 정의되도록 하고 있다 따라서 온도센서의 검

교정은 사용영역 내에서의 고정점들과 표준온도계의 온도저항 특성을 비교함으로써

얻을 수 있다 본 과제에서는 제작된 온도센서 및 상용센서의 평가를 위해 한국표

준과학연구원의 온도연구실에 있는 장비를 이용하였다 리드선의 저항오차를 최대

한 줄이기 위해 선 결선 방법을 택하였으며 리드선으로 직경 의 백금 선4 02 mm

을 사용하였다 물의 삼중점 주석의 녹는점 아연의 녹는점 등의 고정점 개와 항 3

온조를 이용한 50~ 도 사이의 온도 범위에서 측정점을 정하여 백금표준온도450

저항값과 제작된 온도센서의 저항값을 측정하여 온도선형계수 및 고온에서의 허용

오차 등을 측정하였다 측정조건은 를 사용하여 규정전류 HP 3458 multimeter 1mA

를 회로상에 흐르도록 구성한 뒤 저항값을 소수 째 자리까지 측정하여 유효 숫자4

는 소수 자리까지 사용하였다 일정한 온도를 얻기 위하여 사용되는 항온조는 온3

도영역에 따라 이하의 저온 영역은 알콜 영역에서는 에틸렌 글리0 0~100

콜 은 실리콘 오일을 사용하였으며 원하는 온도에 이른 후 평형을 100~200

위하여 분 이상 기다린 다음 표준저항기와 온도센서의 저항값을 각각 회씩 측30 3

정하여 평균값을 취하였다

- 30 -

에서는 저항기의 기준값으로 를 물의 삼중점 의 저ITS-1990 R (27316K=001 )

항 값으로 취하고 있다 정점의 실현은 녹는점 또는 어는점에서 잠열의 출입과 관

계없이 일정한 온도를 유지하는 특성을 이용한 것으로 녹는점 부근에서의 열량 조

절이 매우 중요하다 주석과 아연의 녹는점 실현을 위한 로는 석영관 내부에 주석

과 아연이 들어 있는 가 있고 표준저항기와 측정하고자 하는 온도센서thermal bath

가 들어가 있는 작은 석영관으로 이루어진 이중 구조로 되어있다 녹는점의 실현

을 위해서는 정밀한 저항 조절을 통한 온도제어가 필요하다 이를 위해 사용되는

기기로는 등이 사용되는데 이는current comparator resistance bridge 10-7 ohm

정도의 저항 조절이 가능한 장비이며 이를 온도로 환산하면 정도의 고정001mK

밀도를 가진다

- 31 -

제 장 기술개발결과3

- 32 -

제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금 박막의 필요성1

백금 박막은 백금 자체의 온도 저항 특성을 이용한 온도센서 및 로서의 응용 heater

과 촉매로서의 활용도 활발하게 이루어지고 있다 박막온도센서로의 응용을 위해서

는 온도변화에 따른 저항 변화계수(Temperature Coefficient of Resistance TCR)

가 중요한데 규정값(38510-3 이상의 을 얻기 위해서는 백금의 두께가 ) TCR 1

이상이 되어야 한다고 알려져 있다 5) 그림 은 백금박막의 두께에 따른 의6 TCR

변화를 나타내는 그림이다 은 두께뿐만 아니라 백금 박막의 미세구조 불순물 TCR

기판의 열팽창 계수 등 여러 가지 요인에 의존한다 이러한 여러 변수 중 두께 및

미세구조 조절은 순도와 함께 최적의 온도 저항 계수를 위한 중요 변수로 작용하는

것으로 알려져 있다18-20)

그림 두께에 따른 온도저항계수의 변화 6 5)

실리콘 기판 위의 백금증착은 앞서 설명한 바와 같이 열팽창 계수의 차이 부착력

문제 등으로 원하는 을 얻기 어렵다 백금의 열팽창 계수는TCR 8910-6 로 경우degc

실리콘에(2610-6 비해 높은 값을 가지며 온도 에서 다음과 같은 저항체 길degC) T

이의 변화를 유발하게 된다

- 33 -

L(T)=L(o)(1+ (Tα t-To)

백금과 기판의 열팽창 계수 차이 온도 Tα

특히 기판의 열팽창 계수가 작으면 백금저항의 감소를 유발하게 되어 저하의 TCR

원인이 된다 따라서 기존 상용제품의 경우 대부분이 백금과 열팽창 계수 차이가

없고 부착력이 좋은 알루미나를 기판재료로 사용하고 있다 본 과제의 거대 입성장

된 백금박막은 이러한 열팽창 계수의 차이에서 오는 부의 효과를 미세구조의 조절

을 통해 극복하고자 하였다

에 영향을 미치는 접착증을 사용하지 않으면서 백금박막의 접착력 증진을 위TCR

한 방법은 기존의 이노스텍 특허 기술을 이용하여 증착할 수 있다36) 이 경우 백금

박막의 미세구조는 그림 과 같이 일반적인 구조의 백금박막을 얻을 수7 columnar

있다 그러나 이 경우 은 TCR 38010-3 정도로 온도센서로 사용가능한 규격 인

38010-3 에 크게 못 미침을 예비 실험을 통하여 알 수 있었다

그림 일반적인 백금박막의 미세구조를 나타내는 전자 현미경 사진 7

- 34 -

또한 승온과 냉각과정에서 같은 온도에서의 저항값이 서로 다른 특성을hysteresis

나타내었다 이는 온도의 상승에 따라 열팽창계수의 차이에 의한 응력이나 접착력

변화에서 기인되는 문제로 생각되었다 백금 박막의 미세구조를 단결정에 가깝게

제작할 수 있다면 입계면에서의 에 기인하는 저항변화 를 제거 할 수scatting factor

있다 본 과제에서는 이를 위하여 백금의 거대입성장 현상을 이용하여 두께 에 1

서 수 의 입자크기를 갖는 백금박막을 온도센서 소자로 사용하였다 거대입mm~cm

성장 박막의 증착 조건 등은 표 에 표시하였다6

- 35 -

거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

- 36 -

그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

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제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

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제 장 참고 문헌5

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년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

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에서는 저항기의 기준값으로 를 물의 삼중점 의 저ITS-1990 R (27316K=001 )

항 값으로 취하고 있다 정점의 실현은 녹는점 또는 어는점에서 잠열의 출입과 관

계없이 일정한 온도를 유지하는 특성을 이용한 것으로 녹는점 부근에서의 열량 조

절이 매우 중요하다 주석과 아연의 녹는점 실현을 위한 로는 석영관 내부에 주석

과 아연이 들어 있는 가 있고 표준저항기와 측정하고자 하는 온도센서thermal bath

가 들어가 있는 작은 석영관으로 이루어진 이중 구조로 되어있다 녹는점의 실현

을 위해서는 정밀한 저항 조절을 통한 온도제어가 필요하다 이를 위해 사용되는

기기로는 등이 사용되는데 이는current comparator resistance bridge 10-7 ohm

정도의 저항 조절이 가능한 장비이며 이를 온도로 환산하면 정도의 고정001mK

밀도를 가진다

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제 장 기술개발결과3

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제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금 박막의 필요성1

백금 박막은 백금 자체의 온도 저항 특성을 이용한 온도센서 및 로서의 응용 heater

과 촉매로서의 활용도 활발하게 이루어지고 있다 박막온도센서로의 응용을 위해서

는 온도변화에 따른 저항 변화계수(Temperature Coefficient of Resistance TCR)

가 중요한데 규정값(38510-3 이상의 을 얻기 위해서는 백금의 두께가 ) TCR 1

이상이 되어야 한다고 알려져 있다 5) 그림 은 백금박막의 두께에 따른 의6 TCR

변화를 나타내는 그림이다 은 두께뿐만 아니라 백금 박막의 미세구조 불순물 TCR

기판의 열팽창 계수 등 여러 가지 요인에 의존한다 이러한 여러 변수 중 두께 및

미세구조 조절은 순도와 함께 최적의 온도 저항 계수를 위한 중요 변수로 작용하는

것으로 알려져 있다18-20)

그림 두께에 따른 온도저항계수의 변화 6 5)

실리콘 기판 위의 백금증착은 앞서 설명한 바와 같이 열팽창 계수의 차이 부착력

문제 등으로 원하는 을 얻기 어렵다 백금의 열팽창 계수는TCR 8910-6 로 경우degc

실리콘에(2610-6 비해 높은 값을 가지며 온도 에서 다음과 같은 저항체 길degC) T

이의 변화를 유발하게 된다

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L(T)=L(o)(1+ (Tα t-To)

백금과 기판의 열팽창 계수 차이 온도 Tα

특히 기판의 열팽창 계수가 작으면 백금저항의 감소를 유발하게 되어 저하의 TCR

원인이 된다 따라서 기존 상용제품의 경우 대부분이 백금과 열팽창 계수 차이가

없고 부착력이 좋은 알루미나를 기판재료로 사용하고 있다 본 과제의 거대 입성장

된 백금박막은 이러한 열팽창 계수의 차이에서 오는 부의 효과를 미세구조의 조절

을 통해 극복하고자 하였다

에 영향을 미치는 접착증을 사용하지 않으면서 백금박막의 접착력 증진을 위TCR

한 방법은 기존의 이노스텍 특허 기술을 이용하여 증착할 수 있다36) 이 경우 백금

박막의 미세구조는 그림 과 같이 일반적인 구조의 백금박막을 얻을 수7 columnar

있다 그러나 이 경우 은 TCR 38010-3 정도로 온도센서로 사용가능한 규격 인

38010-3 에 크게 못 미침을 예비 실험을 통하여 알 수 있었다

그림 일반적인 백금박막의 미세구조를 나타내는 전자 현미경 사진 7

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또한 승온과 냉각과정에서 같은 온도에서의 저항값이 서로 다른 특성을hysteresis

나타내었다 이는 온도의 상승에 따라 열팽창계수의 차이에 의한 응력이나 접착력

변화에서 기인되는 문제로 생각되었다 백금 박막의 미세구조를 단결정에 가깝게

제작할 수 있다면 입계면에서의 에 기인하는 저항변화 를 제거 할 수scatting factor

있다 본 과제에서는 이를 위하여 백금의 거대입성장 현상을 이용하여 두께 에 1

서 수 의 입자크기를 갖는 백금박막을 온도센서 소자로 사용하였다 거대입mm~cm

성장 박막의 증착 조건 등은 표 에 표시하였다6

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거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

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그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

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미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

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사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

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(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

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그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

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두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

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그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

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그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

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제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

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그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

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이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

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리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

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절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

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그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

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제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

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개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

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특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

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시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 31 -

제 장 기술개발결과3

- 32 -

제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금 박막의 필요성1

백금 박막은 백금 자체의 온도 저항 특성을 이용한 온도센서 및 로서의 응용 heater

과 촉매로서의 활용도 활발하게 이루어지고 있다 박막온도센서로의 응용을 위해서

는 온도변화에 따른 저항 변화계수(Temperature Coefficient of Resistance TCR)

가 중요한데 규정값(38510-3 이상의 을 얻기 위해서는 백금의 두께가 ) TCR 1

이상이 되어야 한다고 알려져 있다 5) 그림 은 백금박막의 두께에 따른 의6 TCR

변화를 나타내는 그림이다 은 두께뿐만 아니라 백금 박막의 미세구조 불순물 TCR

기판의 열팽창 계수 등 여러 가지 요인에 의존한다 이러한 여러 변수 중 두께 및

미세구조 조절은 순도와 함께 최적의 온도 저항 계수를 위한 중요 변수로 작용하는

것으로 알려져 있다18-20)

그림 두께에 따른 온도저항계수의 변화 6 5)

실리콘 기판 위의 백금증착은 앞서 설명한 바와 같이 열팽창 계수의 차이 부착력

문제 등으로 원하는 을 얻기 어렵다 백금의 열팽창 계수는TCR 8910-6 로 경우degc

실리콘에(2610-6 비해 높은 값을 가지며 온도 에서 다음과 같은 저항체 길degC) T

이의 변화를 유발하게 된다

- 33 -

L(T)=L(o)(1+ (Tα t-To)

백금과 기판의 열팽창 계수 차이 온도 Tα

특히 기판의 열팽창 계수가 작으면 백금저항의 감소를 유발하게 되어 저하의 TCR

원인이 된다 따라서 기존 상용제품의 경우 대부분이 백금과 열팽창 계수 차이가

없고 부착력이 좋은 알루미나를 기판재료로 사용하고 있다 본 과제의 거대 입성장

된 백금박막은 이러한 열팽창 계수의 차이에서 오는 부의 효과를 미세구조의 조절

을 통해 극복하고자 하였다

에 영향을 미치는 접착증을 사용하지 않으면서 백금박막의 접착력 증진을 위TCR

한 방법은 기존의 이노스텍 특허 기술을 이용하여 증착할 수 있다36) 이 경우 백금

박막의 미세구조는 그림 과 같이 일반적인 구조의 백금박막을 얻을 수7 columnar

있다 그러나 이 경우 은 TCR 38010-3 정도로 온도센서로 사용가능한 규격 인

38010-3 에 크게 못 미침을 예비 실험을 통하여 알 수 있었다

그림 일반적인 백금박막의 미세구조를 나타내는 전자 현미경 사진 7

- 34 -

또한 승온과 냉각과정에서 같은 온도에서의 저항값이 서로 다른 특성을hysteresis

나타내었다 이는 온도의 상승에 따라 열팽창계수의 차이에 의한 응력이나 접착력

변화에서 기인되는 문제로 생각되었다 백금 박막의 미세구조를 단결정에 가깝게

제작할 수 있다면 입계면에서의 에 기인하는 저항변화 를 제거 할 수scatting factor

있다 본 과제에서는 이를 위하여 백금의 거대입성장 현상을 이용하여 두께 에 1

서 수 의 입자크기를 갖는 백금박막을 온도센서 소자로 사용하였다 거대입mm~cm

성장 박막의 증착 조건 등은 표 에 표시하였다6

- 35 -

거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

- 36 -

그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 2000

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22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

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감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

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일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

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제 장 기술개발결과3

제 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발1

거대입성장된 백금 박막의 필요성1

백금 박막은 백금 자체의 온도 저항 특성을 이용한 온도센서 및 로서의 응용 heater

과 촉매로서의 활용도 활발하게 이루어지고 있다 박막온도센서로의 응용을 위해서

는 온도변화에 따른 저항 변화계수(Temperature Coefficient of Resistance TCR)

가 중요한데 규정값(38510-3 이상의 을 얻기 위해서는 백금의 두께가 ) TCR 1

이상이 되어야 한다고 알려져 있다 5) 그림 은 백금박막의 두께에 따른 의6 TCR

변화를 나타내는 그림이다 은 두께뿐만 아니라 백금 박막의 미세구조 불순물 TCR

기판의 열팽창 계수 등 여러 가지 요인에 의존한다 이러한 여러 변수 중 두께 및

미세구조 조절은 순도와 함께 최적의 온도 저항 계수를 위한 중요 변수로 작용하는

것으로 알려져 있다18-20)

그림 두께에 따른 온도저항계수의 변화 6 5)

실리콘 기판 위의 백금증착은 앞서 설명한 바와 같이 열팽창 계수의 차이 부착력

문제 등으로 원하는 을 얻기 어렵다 백금의 열팽창 계수는TCR 8910-6 로 경우degc

실리콘에(2610-6 비해 높은 값을 가지며 온도 에서 다음과 같은 저항체 길degC) T

이의 변화를 유발하게 된다

- 33 -

L(T)=L(o)(1+ (Tα t-To)

백금과 기판의 열팽창 계수 차이 온도 Tα

특히 기판의 열팽창 계수가 작으면 백금저항의 감소를 유발하게 되어 저하의 TCR

원인이 된다 따라서 기존 상용제품의 경우 대부분이 백금과 열팽창 계수 차이가

없고 부착력이 좋은 알루미나를 기판재료로 사용하고 있다 본 과제의 거대 입성장

된 백금박막은 이러한 열팽창 계수의 차이에서 오는 부의 효과를 미세구조의 조절

을 통해 극복하고자 하였다

에 영향을 미치는 접착증을 사용하지 않으면서 백금박막의 접착력 증진을 위TCR

한 방법은 기존의 이노스텍 특허 기술을 이용하여 증착할 수 있다36) 이 경우 백금

박막의 미세구조는 그림 과 같이 일반적인 구조의 백금박막을 얻을 수7 columnar

있다 그러나 이 경우 은 TCR 38010-3 정도로 온도센서로 사용가능한 규격 인

38010-3 에 크게 못 미침을 예비 실험을 통하여 알 수 있었다

그림 일반적인 백금박막의 미세구조를 나타내는 전자 현미경 사진 7

- 34 -

또한 승온과 냉각과정에서 같은 온도에서의 저항값이 서로 다른 특성을hysteresis

나타내었다 이는 온도의 상승에 따라 열팽창계수의 차이에 의한 응력이나 접착력

변화에서 기인되는 문제로 생각되었다 백금 박막의 미세구조를 단결정에 가깝게

제작할 수 있다면 입계면에서의 에 기인하는 저항변화 를 제거 할 수scatting factor

있다 본 과제에서는 이를 위하여 백금의 거대입성장 현상을 이용하여 두께 에 1

서 수 의 입자크기를 갖는 백금박막을 온도센서 소자로 사용하였다 거대입mm~cm

성장 박막의 증착 조건 등은 표 에 표시하였다6

- 35 -

거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

- 36 -

그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

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정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 33 -

L(T)=L(o)(1+ (Tα t-To)

백금과 기판의 열팽창 계수 차이 온도 Tα

특히 기판의 열팽창 계수가 작으면 백금저항의 감소를 유발하게 되어 저하의 TCR

원인이 된다 따라서 기존 상용제품의 경우 대부분이 백금과 열팽창 계수 차이가

없고 부착력이 좋은 알루미나를 기판재료로 사용하고 있다 본 과제의 거대 입성장

된 백금박막은 이러한 열팽창 계수의 차이에서 오는 부의 효과를 미세구조의 조절

을 통해 극복하고자 하였다

에 영향을 미치는 접착증을 사용하지 않으면서 백금박막의 접착력 증진을 위TCR

한 방법은 기존의 이노스텍 특허 기술을 이용하여 증착할 수 있다36) 이 경우 백금

박막의 미세구조는 그림 과 같이 일반적인 구조의 백금박막을 얻을 수7 columnar

있다 그러나 이 경우 은 TCR 38010-3 정도로 온도센서로 사용가능한 규격 인

38010-3 에 크게 못 미침을 예비 실험을 통하여 알 수 있었다

그림 일반적인 백금박막의 미세구조를 나타내는 전자 현미경 사진 7

- 34 -

또한 승온과 냉각과정에서 같은 온도에서의 저항값이 서로 다른 특성을hysteresis

나타내었다 이는 온도의 상승에 따라 열팽창계수의 차이에 의한 응력이나 접착력

변화에서 기인되는 문제로 생각되었다 백금 박막의 미세구조를 단결정에 가깝게

제작할 수 있다면 입계면에서의 에 기인하는 저항변화 를 제거 할 수scatting factor

있다 본 과제에서는 이를 위하여 백금의 거대입성장 현상을 이용하여 두께 에 1

서 수 의 입자크기를 갖는 백금박막을 온도센서 소자로 사용하였다 거대입mm~cm

성장 박막의 증착 조건 등은 표 에 표시하였다6

- 35 -

거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

- 36 -

그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 34 -

또한 승온과 냉각과정에서 같은 온도에서의 저항값이 서로 다른 특성을hysteresis

나타내었다 이는 온도의 상승에 따라 열팽창계수의 차이에 의한 응력이나 접착력

변화에서 기인되는 문제로 생각되었다 백금 박막의 미세구조를 단결정에 가깝게

제작할 수 있다면 입계면에서의 에 기인하는 저항변화 를 제거 할 수scatting factor

있다 본 과제에서는 이를 위하여 백금의 거대입성장 현상을 이용하여 두께 에 1

서 수 의 입자크기를 갖는 백금박막을 온도센서 소자로 사용하였다 거대입mm~cm

성장 박막의 증착 조건 등은 표 에 표시하였다6

- 35 -

거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

- 36 -

그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 2000

3) F R Hartly Chemistry of the Platinum Group Metal Elsivier (1991)

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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) p138

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19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

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정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

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26) J P Holman Heat Transfer McGRAW-HILL Co p 110 (1981)

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28) H F Winters and E kay j Appl Phys 33 1898 (1962)

29) Jialiang Zhang Yoshimichi Nagao Saburo Kuwano and Yoshinori to Jpn

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31) Y Abe M Kawamura and K Sasaki Jpn J Appl Physl 38

2092(1999)

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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

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감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

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일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

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거대 입성장된 백금박막의 특성2

전기적 특성의 변화2-1

표 산소분압 및 후열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 및 미세구조의 변화7

표 은 증착조건 및 후열처리 온도에 따른 미세구조의 및 전기적 물성변화를 나타7

내는 표이다 표에서 검게 표시된 부분이 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 나타내

고 있다 표에 나타난 바와 같이 최적의 조건에서 증착된 박막은 열처리 에 600

의해서도 거대입성장을 나타냄을 알 수 있다 비저항의 변화를 살펴보면 거대 입성

장 전후의 비저항 변화가 크게 일어났음을 알 수 있다 산소분압에 따라 최종 거대

입성장이 일어난 박막의 비저항에 약간의 차이가 있지만 아르곤만으로 증착한 박막

에 비하여 비저항 값이 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다 이러한 거대 입성장이

산소의 탈착과 관련이 있을 것으로 생각되어 증착시 산소를 포함하는 백금박막을

미소열량계 및 엘립소미터를 이용한 소광계수 측정을 통해 탈착 거동을 살펴보았

다 그림 과 는 미소열량계 및 소광계수 분석결과이다 그림에 나타난 바와 같이 8 9

영역에서 발열 이 관찰되고 소광계수 및 굴절율의 급격한 변화로 보아550 peak

증착 중에 백금박막 속에 포함되었던 산소들은 이 온도영역에서 백금박막 외부로

탈착되는 것으로 생각된다 이러한 산소의 탈착이 거대입성장 현상과 밀접한 관련

이 있으며 비저항의 변화를 유도하는 것으로 판단된다 그림 은 위 표에서 아르 10

곤가스만을 사용하여 증착한 박막과 아르곤에 의 산소를 첨가하여 증착한 박25

막의 열처리 온도에 따른 비저항 변화를 보여주는 그림이다 한시간 열처리 1000

후에는 거대입성장된 백금박막의 비저항이 비저항과 가깝게 변화함을 관찰 할bulk

수 있다

- 36 -

그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 2000

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162-166 (1982)

9) Japan Patent No 58-130502(1983)

10) United States Patent No 4103275(1978)

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12) M A Omar Elementary solid state physics Principles and Applications

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20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

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정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

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감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

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일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 36 -

그림 산소가 포함된 백금박막의 8 DTA

분석 그림

그림 진공열처리에 따른 굴절율 9

및 소광계수의 변화

그림 열처리 온도에 따른 백금박막의 비저항 변화 10

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

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제 장 참고문헌5

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미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 37 -

미세구조의 변화2-2

그림 은 만으로 증착한 박막과 온도센서 제작을 위한 거대입성장을 일으킨 박11 Ar

막의 전자현미경 사진을 보여주는 그림이다 에서 한시간 열처리한 경우 1000 Ar

만으로 증착한 박막은 두께 에서 입자크기가 을 갖는 전형전인 백금 박1 1-2

막의 구조를 보여주고 있다 아르곤 산소의 최적조건에서 증착되어 거대입성장된 +

박막의 경우 전자현미경 사진으로는 입계면만을 관찰할 수 있으며 정확한 크기는

광학현미경이나 육안으로 관찰할 수 있다 그림 는 거대입성장된 백금박막의 미 12

세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다 거대입성장을 일으키는 백금박막 미세구

조의 또 다른 특징은 일반적인 입자성장과 달리 열처리온도나 시간에 크게 의존하

지 않는 다는 점이다

그림 백금박막의 전자현미경사진 일반적인 백금박막 거대입성장 11 (a) (b)

거동을 보이는 백금박막 시간 공기중 열처리 시편(1000 1 )

그림 거대입성장된 백금박막의 광학현미경 사진 12

그림 은 증착후 열처리전의 백금박막 사진으로 증착직후에는 증착시에 포함13 TEM

된 산소가 입계 및 격자내에도 분포하고 있음을 분석을 통하여 알 수TEM EDAX

있다 반면 시간 열처리 후에는 입계가 관찰되지 않는 단결정에 가까운 1000 1

박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다 그림 ( 14)

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 2000

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박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 38 -

사진(a) TEM 흰색 산소(b) TEM EDAX map ( )

그림 산소가 첨가된 백금박막의 열처리 전의 사진 13 TEM

그림 시간 열처리 후 거대입성장된 백금박막의 사진 14 1000 1 TEM

거대입성장된 백금박막은 증착조건에 따라 여러 가지 우선배향을 갖게 된다 그림

는 증착조건에 따른 거대 입성장 입자의 우선배향성을 나타내는 분석 결과15 XRD

이다 본 과제에서는 같은 조건에서 분석한 경우 우선배향성을 갖는 백금박 (111)

막의 상대적인 회절강도가 가장 높아 우선 배향성을 갖는 증착조건으로 온도(111)

센서를 제작하였다

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 39 -

(a)

(b)

(c)

그림 서로 다른 배향성을 갖는 거대입성장 백금박막의 패턴 15 XRD

(a) (111) (b) (200) (c) (311)

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 40 -

그림 은 거대 입성장을 일으킨 백금박막을 이용하여 제작한 온도센서의 광학16 17

현미경 사진을 나타낸 그림이다 확대 그림에 나타난 바와 저항 패턴에는 입계면이

관찰되지 않으며 전체적으로는 패턴의 종방향으로 발달된 몇 개의 입계면 만을 관

찰할 수 있었다

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 16 5 (Ro 100 ) Ω

그림 선폭 로 제작한 백금박막 온도센서의 광학현미경 사진 17 10 (Ro 200 ) Ω

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 41 -

두께에 따른 변화2-3 TCR

최적화된 거대입자 성장 조건에서 두께를 로 변화시키며 소자를 제작하06-12

였다 거대 입성장 현상은 일정 두께 이상에서만 구현되는 것으로 현재 당사에 서

는 의 두께 이상에서 재현성 있는 거대 입성장 현상을 구현하고 있다 두께05

에 따른 열처리 전후의 물성변화는 표 과 같다 열처리 후에는 모두 거대 입성장8

현상을 보이고 있으며 비저항 값도 에 가까운bulk 104 cm 1068~1162 cmμΩ μΩ

로 일반적인 백금박막의 비저항이 의 값을 갖는 것과 비교할 때 비교12-13 cmμΩ

적 낮은 값을 가짐을 알 수 있다

표 거대입성장 백금박막의 두께에 따른 열처리 전 후의 물성변화 8

그림 은 거대입성장된 백금박막으로 제작한 온도센서의 두께에 따른 변화를18 TCR

나타내는 그림이다 그림에 나타난 바와 같이 본 과제에서 제작된 온도센서의 경우

도 두께에 따라 값이 변화하였으며 열처리 후의 박막 두께가 이상 이 되TCR 1

어야 원하는 온도선형계수를 얻을 수 있었다 두께에 따른 비저항의 변화와 달리

온도선형계수가 큰 변화를 보이는 것은 금속에서 온도선형계수가 전자의 평균 자유

행로와 관계가 있고 백금의 경우 상온에서 전자의 평균 자유행로가 정도이기1

때문인 것으로 알려져 있다5)

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 42 -

그림 두께에 따른 온도선형계수의 변화 선폭 마이크론 18 ( 50 )

거대입성장된 백금박막의 에칭 특성2-4

본 과제의 온도센서 제작에 사용된 거대입성장 박막이 입계면 내에서 단결정으로

이루어진 사실은 미세구조나 관찰만으로는 입증하기 어렵다 이를 검증하기XRD

위하여 거대입성장으로 이루어진 박막을 백금박막의 에칭용액 을(hot aqua regia)

이용하여 에칭하였다 그림 는 거대입성장된 박막의 에칭특성을 나타내는 것으로 19

박막의 우선배향성에 따라 입계면 내에서 발달된 에치핏이 한방향으로 정렬되어 있

음을 알 수 있다 만일 입계면내에 가 존재한다면 그 입계면 sub-grain boundary

내에서는 에치핏의 방향이 서로 다를 것이므로 이러한 에치핏의 모양은 입계 면을

경계로 단결정으로 구성되었음을 간접적으로 보여준다고 볼 수 있다

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

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당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 43 -

그림 거대입성장된 백금박막의 우선배향성에 따른 에칭 양상 19 (a)

거대입자 거대입자(111) (b) (200)

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

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제 장 참고 문헌5

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제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 44 -

제 절 온도센서 제조 공정2

제작1 Mask

본 과제에 사용되는 백금박막은 앞의 증착공정에서 설명한 바와 같이 물성의 향상

을 위해 거대 입성장 백금박막을 활용하였다 저항 조절을 위한 선폭의 선택 뿐만

아니라 거대 입성장 현상이 일어나는 선폭을 선택해야 한다 그림 은 이러한 선 20

폭 선택을 위해 제작한 패턴이다

그림 선폭에 따른 거대입성장 양상을 하기 위한 패턴 20 Test

실험결과 선폭 모두에서 거대 입성장 현상이 구현되는 것을 알 수 있었10~100

다 그림 은 상감법으로 증착된 백금의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다 그림 21

는 이러한 실험결과를 바탕으로 최소 선폭으로 제작된 표준 저항21 2 5 10

을 갖는 마스크 패턴을 보여주는 그림이다 시편의 실100 500 1000 test TestΩ

험 결과 선폭에서도 거대입성장 양상을 보였지만 값이 매우 낮게 나타났2 TCR

다 이에 대한 원인은 현재 분석중이다 양산 공정에 적용될 는 단일저항을 갖 mask

는 것으로 과 을 가지고 패턴을 제작하였다50 10 100 1000 mask Ω

- 45 -

그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

- 46 -

이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

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그림 선폭 및 저항조절을 위한 21 test mask

상감법을 이용한2 SiO2 에칭

당 과제 진행에 있어 기존 백금박막 온도센서 기술과의 차별성은 SiO2 에칭기술 을

통한 소자의 소형화와 고정밀 온도센서의 제작에 있다 산화막의 두께는 백금증착

후 와의 절연을 위해 증착 두께에 비하여 이상의 두께를 가져야 한bulk Si 200nm

다 이러한 패턴형성을 위해 실리콘 웨이퍼상에 의 산화막을 형성하고 사진식 15

각 공정을 이용하여 열산화막에 선폭을 까지 변화시켜가며 깊이 의 패2-50 13

턴을 형성하였다 열산화막 에칭 시에는 반도체 공정에 사용되는 61 buffered

용액을 사용하였다 감광막으로는 패턴의 형성 방법에 따라oxide etchant (BOE)

음성감광막 또는 양성감광막 모두를 사용할 수 있다 그림 은 에칭 양상을 22 wet

도식적으로 나타낸 것으로 일반적으로 널리 알려져 있는 소위 문제로under-cut

인하여 선폭이 산화막 두께에 가까울수록 사다리꼴 형태의 에칭양상을 보이지만 선

폭이 이상일 경우에는 두께에 대한 소자폭이 커서 패턴형성에는 문제가 없는 것5

으로 판명되었다 소자 선폭간 간격이 미만일 경우에는 플라즈마를 이용한 건식 5

식각방법을 도입할 필요가 있을 것으로 생각된다

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이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

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리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

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절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

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그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

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제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

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개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

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특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

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시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

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그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

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제 장 결론 및 기대효과4

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제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

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당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

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제 장 참고 문헌5

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제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 2000

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- 60 -

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2092(1999)

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감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

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이상의 패턴 형성(a) Aspect ratio 5 발생 부분의 확대 그림(b) under-cut

그림 패턴 형성을 위한 시 발생하는 문제를 22 wet-etching under-cut

도식적으로 나타낸 그림

에칭 후 백금을 증착한 소자의 단면을 나타내는 그림 에서도 이러한23 under-cut

현상을 관찰할 수 있었다 소자 가 size 11 mm2 정도에서 표준저항 이상의500Ω

온도센서 소자를 할 경우에는 건식식각을 통해 패턴을 형성하는 것이design

문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다under cut

그림 산화막 에칭을 통한 백금박막 패턴형성 후의 소자 단면을 나타내는 전자 23

현미경 사진

- 47 -

리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

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제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

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제 장 참고 문헌5

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제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

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리드선 부착3

일반적으로 백금박막 온도센서에 사용되는 리드선으로는 사용온도에 따라 백금이나

금이 코팅된 나 은선 등이 사용된다 본 과제에서는 직경 의 백Nickel wire 02mm

금선을 리드선으로 사용하였으며 리드선 부착을 위해서 및 계열의 를Au Pt paste

사용하였다 예비 실험을 통하여 의 종류에 따라서 값이 변화함을 알 수 paste TCR

있었으며 계열의 는 온도센서의 을 저하시키는 것으로 판명되었다 최Au paste TCR

적 값을 나타내는 것은 일본 의 상품명TCR ( ) PtAg conductor paste(田中貴金屬 株

이었으며 에서 분간 하고 열처리하였다 열처리 TR-3913) 150 10 drying

은 그림 와 같다schedule 24 (a)

(a) (b)

그림 백금 및 보호막의 열처리 조건 백금 24 paste glass pad (a) paste (b)

glass pad paste

패드보호막 부착4

리드선에 기계적 안정성을 부여하기 위해서는 패드 보호막을 입혀야 한다 패드 보

호막은 온도센서의 사용온도에 따라 저융점 를 사용하거나 에폭시 수지를 사glass

용하여 제작된다 본 과제에 사용된 보호막은 대주정밀사의 glass over coat glass

제품명 로서 열처리 조건은 그림 와 같다paste( DHG-700SL) 24 (b)

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

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개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 48 -

절연막 코팅5

절연막으로 으 제품명 를 사용하였I spin on glass(SOG Si-05S)高純度化學硏究所

다 에서 분간 건조한 후 영역에서 분간 열처리 하였다 120 10 450~500 30

(a) (b)

그림 코팅 두께에 따른 코팅 양상 발생 25 SOG (a) crack (b) crack free

그림 에서 볼 수 있는 바와 같이 방법으로 를 코팅할 경우 두께 조25 dipping SOG

절이 어려워 일반적인 용액에서와 같이 건조 중에 박막에 이 발생함 을MOD crack

알 수 있다 이러한 발생을 방지하기 위해서는 방법을 사용 하crack spin coating

거나 후 용액을 등으로 닦아내어 두께를 조절하면 발생dipping MOD tissue crack

을 방지 할 수 있다 이러한 방법을 적용하면 그림 의 에서와 같이 라인 방 23 (b)

향으로 발달한 입계면을 관찰할 수 있을 만큼 코팅양상이 양호한 것을 알 수SOG

있다

제작된 백금박막 온도센서6

본 과제 개발을 통해서 제작된 백금박막 온도센서는 크게 두 가지로 나누어진다

선폭 를 사용한 표준저항 센서 소자크기50 100 ( 45mm Ω 2 와 선폭 를 사용) 10

한 표준저항 과 의 온도센서 소자크기100 1000 ( 22mmΩ 2 이다 그림 은 같은) 26

배율로 촬영한 완성소자의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다 중간과제 평가를 통

해 실제 기판을 사용한 온도센서의 제작가능성 확인과 의 구현여부가 시급Si TCR

히 해결되어야 할 사안으로 지적되었다 이에 따라 실제 소자 제작 후 특성 평가는

주로 선폭을 갖는 소자에서 측정되었으며 선폭에 대한 소자평가는 계50 10

속 진행 중에 있다

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

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특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

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그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

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제 장 결론 및 기대효과4

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제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

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당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 49 -

그림 완성된 백금박막 온도센서 소자의 광학현미경 사진 26

- 50 -

제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

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제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

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제 절 온도센서 소자 특성 평가3

기존 제품의 분석1

상용화된 박막 의 센서를 구입하여 온도저항특성을 평가하였다 표 는 입수한type 9

온도센서의 종류와 저항 값 그리고 제조사를 나타내는 표이다

표 상용화된 백금온도센서의 종류와 제조사 9

제품명 Temp range Resistance Type(substrate) 제조사

CLAL100C32 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) CLAL(france)

JM(Screen) -50~250 Ro=100Ω Thick film(AI203) Johnson Mattey

GW2105 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 독일Heraeus( )

CRZ3012 -50~600 Ro=100Ω Thin film(AI203) 일본( )林電株式會社

1PT100Gtimes623 -220~400 Ro=100Ω Wire(AI203 sealing) 독일Heraeus( )

측정온도는 로 물의 삼중점과 에틸렌 글리콜 실리콘 오일 를 사용하0~200 bath

였으며 백금표준저항 온도계로 각각의 측정온도에서 온도보정을 하였다 그림 ( 27)

측정결과 CLAL100C32(TCR 355610-3 를 제외한 나머지 상용센서의 온도저 )

항 특성은 온도저항 계수가 3838~384810-3 로 규정값에 비하여 약간 낮게 측

정되었다 반면 선형성은 양호한 것으로 판단되었다 박막형 온도센서 중 가장 특성

이 우수한 CRZ3012(TCR 384810-3 와 당사에서 개발한 온도센서의 특성을 )

비교하였다

그림 상용 백금온도센서의 온도저항 특성 27

- 51 -

개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

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제 장 참고 문헌5

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제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

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개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석2

온도저항 특성2-1

당 과제를 통해 개발된 백금박막 온도센서의 값은TCR 385910-3 로 상용온도센

서보다 약간 높게 나타났다 기판에서의 이러한 온도저항특성은 당 과제 발표에 Si

서 처음으로 보고되는 값이다 그림 에 온도저항특성을 28 resistance

로 표시하였다 그림에서 나타난 바와 같이 영역에서 선ratio(R(t)(R(O)) 0~150

형성이 매우 우수함을 알 수 있다 그 이상의 고온영역에는 온도선형성이 떨어지는

것으로 나타났는데 이는 보호막의 코팅과 관련있는 것으로 생각된다 현재pad

보호막에 대한 실험을 진행 중이며 최적 보호막의 선택에 따라 고온안정성을pad

부여 할 수 있을 것으로 판단된다 기존제품의 분석에서 가장 우수한 것으로 나타

난 은 것은 그림 에 나타나 있다 이상의 영역에 대한 평가는CRZ3012 29 250

현재 진행 중이며 장기안정성 절연저항 기계적 특성 등에 대한 평가 등도 진행 예

정이다

그림 개발된 센서의 온도저항 특성 28 그림 의 온도저항 특성 29 CRZ3012

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

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시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

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제 장 결론 및 기대효과4

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제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

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제 장 참고 문헌5

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제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 52 -

특성2-2 Hysteresis

승온 및 냉각 중에 나타나는 특성은 온도센서의 재현성과도 밀접한 관련hysteresis

이 있는 것으로 당 과제에서 개발된 온도센서의 승온 및 냉각중의 특성을hystersis

그림 에 나타내었다 온도저항 특성에서도 언급된 바와 같이 고온에서의 온도저30

항 특성이 불안정한 것으로 나타났다 이에 대한 원인을 현재 패드보호막의 불안정

성과 의 접촉저항 증가 등에 대한 조사를 진행 중이다lead wire

그림 개발된 온도센서의 승온 및 냉각에 따른 곡선 30 hysteresis

- 53 -

시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

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시정수 특성2-3

온도측정에 있어서 정확도에 영향을 미치는 인자로는 온도센서의 분해능 안정도

재현성 및 시정수를 들 수 있다 이 중에서 시정수는 온도가 계속 변하는 동적 상

태일 경우 다른 인자보다 더 중요하게 다루어져야 하며 측정의 정확도를 크게 좌

우 하는 물리량이다 시정수는 주변의 온도 변화에 대하여 온도센서가 얼마나 빨리

반응하느냐를 알 수 있는 척도로서 센서 표면을 통하여 외부의 열 에너지가 대류

전도 및 복사 과정을 거쳐 센서 내부에 도달하여 일어나는 현상이다35)

시정수는 최종 물리량의 에 도달하는데 걸리는 시간으로 정의된다 온도 센632

서의 경우 시정수는 센서의 질량 보호관의 모양 매질의 종류 및 흐름 속도에 따라

달라지며 다음과 같은 식으로 표현된다고 알려져 있다826)

= MCR=CdVhAτ

여기서 은 센서의 질량 는 열용량 은 연전달 저항이며 는 밀도 는 부피M C R d v h

는 열전달계수 는 센서의 표면적이다 따라서 센서의 소자크기가 작을수록 시정수A

값은 개선되게 된다 본 과제에서는 소자크기 뿐만 아니라 기판재료로 상온 열전도

계수가 알루미나 에 비해 높은 실리콘 웨이퍼 를 사용하였으므(25WmK) (148Wmk)

로 시정수가 개선될 것으로 기대하였다

시정수 측정은 에서 상온으로 온도를 변화시키고 저항값의 변화시간을 개ice point

발된 온도센서의 정확한 시정수는 측정할 수 없었는데 이는 시간 간격을 초로 하5

여 시정수가 이보다 작았기 때문이다 그림 의 변화로부터 유추한 시정수 상온 31 (

빙점 는 약 로 예상한 바와 같이 본 과제에서 제작한 기판을 사용한--gt ) 3 see Si

백금박막 온도센서의 시정수 특성은 매우 우수하였다

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

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제 장 결론 및 기대효과4

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제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 54 -

그림 시간에 따른 저항변화 상온 빙 점 31 ( --gt )

자기발열 특성2-4

소자는 열전대와 달리 자체기전력에 의한RTD(Resistance temperature detector)

동작소작가 아니라 외부회로의 전원을 필요로 하게 된다 따라서 열에 해당하 Joule

는 열이 발생하며 이는 소자의 온도를 상승시켜 오차의 원인이 된다 공업 규격에

서 규정한 자기 발열 측정방법은 측온저항체의 측온부를 빙점 시험기에 넣고 서로

다른 측정 전류를 흘려서 측정하고 에서의 오차 변화를 구하게 되어 있다0 19본

과제에서는 전류를 로 변화시키02 - 028 -05 - 07 - 05 - 028 - 02 mA

면서 측정하였다 측정된 자기 발열 특성을 그림 에 나타내었다 32

그림 자기발열 측정결과 32

- 55 -

제 장 결론 및 기대효과4

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

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제 장 결론 및 기대효과4

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제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

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제 장 참고 문헌5

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제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 56 -

제 장 결론 및 기대효과4

표 항목별 개발목표치 및 개발결과 10

기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였다 실리콘 기판사용을 사용하여Si

공업규격에 맞는 백금박막 온도센서를 개발한 것은 당 업계에서는 세계 최초로 여

겨진다 가정용 및 공업용 온도센서의 수요가 증가하고 특히 전자소자 부품의 輕薄

경향에 따라 고성능 백금박막 온도센서의 수요는 증가일로에 있다 이러한短小化

산업계의 필요성 증대에도 불구하고 백금박막 온도센서의 국산화는 여년전 부터10

추진되어 왔으나 산업화에 실패하였다 이러한 이유로는 기존제품과 같은 알루미나

기판을 사용한 백금박막온도센서의 경우 이미 선진외국에서 여년간의 생산 기술10

개발 가 축적되어 기술 및 가격 경쟁력을 갖출 수 없기 때문이었다 당know-how

과제를 통해 개발된 백금박막온도센서는 이러한 단점을 극복하고 조기 시장진입을

위하여 기존에 사용되지 않는 기판을 사용하여 백금박막 온도센서를 개발하였Si

다 기판을 사용할 경우에 갖는 장점은 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미나 기판에 Si

비하여 열전도가 우수하여 응답특성이 향상될 수 있으며 백금박막 증착 전의 기판

식각은 금속박악의 식각에 비하여 선폭의 조절이나 균일도를 획기적으로 향상시킬

수 있다 특히 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용할 경우 절연층으로 열산화막을 사용

할 수 있으며 이 경우 기존의 반도체 공정에 사용되는 사진식각공정을 사용하여

까지 선폭을 조절할 수 있어 소자 크기를 획기적으로 작게함 으로써sub-micron

가격경쟁력을 확보 할 수 있다 또한 실리콘 기판을 사용할 경우 반도체 칩 내부에

온도센서를 제조할 수 있어 고온 동작시에 발생하는 반도체소자 오동작의 주요원인

으로 알려진 온도효과를 온도에 따른 보상회로 등을 설계하여 해결 할 수 있는 부

수적 장점이 있다 또한 식각된 기판 표면 안쪽에 백금박막을 증착함으로써 후 공

정에서 생길 수 있는 기판과의 분리 등과 같은 현상을 방지하고 내구성을 증진시킬

수 있다

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 57 -

당 과제에서 이러한 특성의 구현이 가능한 것은 백금박막의 미세구조 조절을 통한

의 증가가 가장 큰 원인인 것으로 생각된다 현재 이러한 미세구조의 조절은TCR

선폭 에서도 구현 가능하였으며 이에 대한 후속연구를 통해 초소형 고성능 백2

금박막 온도센서를 향후에도 계속 연구할 계획이다

또한 본 과제에서 개발된 기술은 현재 전량 수입에 의존하고 있는 온도 보정용

를 제조하는데 응용할 수 있어 박막 증착 공정 개선에 기여 할 수 있다test wafer

또한 본 과제에 의해 제작된 백금 저항체를 박막 히터로도 사용할 수 있어 초소형

센서 제작에 응용할 수 있다 본 과제에 의한 백금박막 온도센서 구조는 산화물 박

막을 이용한 전기 소자에 사용될 수 있으며 종래의 기술에 비하여 기판의 종류나

증착 방법에 크게 의존하지 않기 때문에 저렴한 가격으로 손쉽게 금속박막 저항체

를 제조할 수 있다 이러한 백금박막 온도센서 양산기술개발이 성공적으로 수행된

다면 가격 경쟁력과 소자소형화 경향에 맞추어 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로

판단된다 당 연구결과로 소자 제조 공정에 대하여 두 건에 대하여 국내외 특허를36-37) 출원하였으며 년 독일 센서박람회에 관련 제품을 가지고 참가할 예정이2003

다

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 58 -

제 장 참고 문헌5

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

- 59 -

제 장 참고문헌5

한국센서연구조합 통계자료1)

한국전자통신연구원 대 품목 기술 시장 보고서 센서2) 40 - - 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) p138

13) P Ciureanu and S Millelho Thin film resistive sensors (lOP Publ Ltd

1992) p214

14) T J Quinn Temperature second edition (ACADEMIC PRESS INC San

Diego (1990) p206

15) Heraeus web site httpwwwheraeus-sensor-nitede

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) ldquoResistance characteristic of platinum in high temperature新井優

condition 34 65-73 (1985)計量硏究所報告

19) KS C 1603-1991

20) JIS C 1604-1989

박종철 강기훈 박찬복 온도 공업진흥청21) ldquo 118(1985)

22) DIN 43760

- 60 -

23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

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23) IEC 751

감기술 박막 백금저항 온도센서의 제작 및 특성연구 한국물리학회지 응용24) ldquo rdquo ldquo

물리 3 599-606 (1990)

정귀상 홍석우 마이크로 열 센서용 측온저항체 온도센서의 제작 및 특성 센25) rdquo

서학회지 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 amp

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)

감기술 강기훈 이충희 온도센서의 시정수 측정35) ldquo J Res KSRI 4 1988

국제 특허 출원 금속저항체 소자 및 그 제조 방법 출원일 년 월36) ldquo rdquo 2002 2 22

일 출원번호 PCTKR0200287

미국특허 출원 단결정 거대 입자로 구성된 금속 박막 제조 방법 출원일37) ldquo rdquo

년 월 일 출원번호 호2001 7 30 09918296

- 61 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 온도센서의 종류
  • 제 2절 백금저항 온도센서
  • 제 3절 백금저항 온도센서 이론
  • 제 4 절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도센서 개발의 목적
  • 제 5절 실리콘 기판을 사용한 백금박막 온도 센서 개발목표
  • • 제 2 장 기술개발 내용과 방법
    • • 제 1 절 개발 기술의 평가방법 및 평가항목
      • • 1 온도선형계수
        • 2 표준저항
        • 3 선폭
        • 4 소자크기
        • 5 온도안정성
        • • 제 2절 백금박막 증착공정의 개발
          • • 1 박막증착
            • 2 증착박막의 열처리
            • 3 박막의 물성 측정
            • • 제 3절 패턴 제작 공정의 개발
              • 제 4 절 소자 평가
              • • 제 3 장 기술개발결과
                • • 제 1 절 거대입성장 백금박막의 증착공정 개발
                  • • 1 거대입성장된 백금 박막의 필요성
                    • 2 거대 입성장된 백금박막의 특성
                    • • 제 2 절 온도센서 제조 공정
                      • • 1 Mask 제작
                        • 2 상감법을 이용한 SiO2 에칭
                        • 3 리드선 부착
                        • 4 패드보호막 부착
                        • 5 절연막 코팅
                        • 6 제작된 백금박막 온도센서
                        • • 제 3 절 온도센서 소자 특성 평가
                          • • 1 기존 제품의 분석
                            • 2 개발 완료된 백금박막 온도센서의 특성분석
                            • • 제 4 장 결론 및 기대효과
                              • 제 5장 참고문헌