KR20010024919A - 박막 구조형 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 백금을 함유하는 층(23)이 배열된 유전성 지지층(21)과 그 위에 배치된 상부층(25)을 갖는 박막 구조형 센서에 관한 것이다. 백금을 함유하는 층(23)의 적어도 한 표면은 소정 영역에서 규소로 제조된 추가 부착층(22)으로 고정된다.

Description

박막 구조형 센서{Thin film structured sensor}

센서를 박막 제법에서 질량 흐름 센서로 사용하는 것은 알려져 있다. 예를 들어 EP 0 375 399로부터 백금으로 된 가열 소자가 배치된 마이크로 브리지가 구비된 센서가 이미 알려져 있다. 가열 소자를 구성시키려는 백금층을 충분히 양호하게 유전 지지층 위에 확실하게 부착시키기 위해서는, 그 위치에 금속 산화물, 예컨대 Cr2O3, Ta2O5 및 NiO로 된 부착 매개층을 배치할 것이 추천된다. 이들 금속 산화물은 백금과 유전성 기판, 이 경우에는 Si3N4 사이에 위치하여 부착을 매개하는 층으로서의 역할을 한다. DE-PS 196 01 592로부터는 규화물, 예컨대 PtSi2, MoSi2 등을 백금과 유전층, 예컨대 SiO2 사이에 부착 매개층으로 사용하는 것이 알려져 있다. 그러나 이들 여태까지 알려진 해법은 결점이 있는 것으로 예컨대 금속 이온이 백금 층 내로 확산함으로 인해 저항의 온도 계수가 급감하는 것이다. 또 하나의 문제점은 전기 장기 안정성과 기계적 안정성, 특히 습한 환경 하에서 불량해 지는 점이다. "백금 상부에 알루미늄 와이어의 본딩" 기술을 제대로 실현하기 위해서는, 백금 층이 그 지지층 위에 아주 양호하게 부착될 필요가 있다. 그런데 상기와 같은 공지의 층들은 이 요구를 충족시키지 못한다.

본 발명은 독립 청구항의 주개념에 따른 센서에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 센서 소자의 평면도.

도 2는 본 발명에 의한 센서 소자의 단면도.

도 3은 본 발명에 의한 막의 확대 단면도.

상기에 반하여 독립 청구항의 특징을 가진 본 발명에 의한 센서는, 고온에서 또한 대단히 높은 습도에서 장시간 부하를 받을 때에도 튼튼하게 견디는 적어도 한 부착 매개성 규소 함유층에 의해 백금층을 유전성 지지 층 위에 보다 양호하게 부착시킬 수 있다는 이점을 갖는다. 본 발명에 의한 센서는 대단히 양호한 전기적 장기 안정성과 열 안정성을 갖는다. 그 위에 인식 가능할 정도의 다중 상 규화 백금계가 형성되지도 않는다. 그 위에 추천되는 이 규소로 된 부착층에 의해, 백금 층 위에 알루미늄 와이어로 본딩 시킬 수 있을 정도로 층 부착성을 개선시킬 수가 있다.

추가의 실시예 및 추가 양태는 종속항에 기재되어 있다.

특히 바람직한 실시형에 있어서는, 백금층의 양 표면에 적어도 부분적으로(영역적으로) 규소 함유층이 배치된다. 이에 의해 백금 층 위에 덮개층이 또한 특히 양호하게 부착될 수 있게 된다. 또한 이 덮개층은 센서의 장기 안정성의 개선에 기여한다.

유리한 실시형에 있어서, 양 규소 함유층의 두께는 같다. 추가의 유리한 실시형에 있어서, 양 규소층의 두께는 상이할 수 있고, 상부의 규소층이 백금층의 하부에 형성된 규소층보다 두껍다. 단지 배금층의 하면 만이 규소층을 갖게 할 수도 있다.

바람직한 실시형에 있어서, 규소 함유층의 층 두께는 0.5 내지 2.4 나노미터이다. 아주 특별히 유리하게는 층 두께는 0.7 내지 1.2 나노미터이다. 추가의 유리한 실시형에 있어서는, 예컨대 하부 규소층의 층 두께는 1.2 나노미터이고 상부 규소층은 1.7 내지 2.4 나노미터, 바람직하게는 2.0 내지 2.3 나노미터이다. 층 두께가 2.4 나노미터 이상이면 다중상-백금-규소-계의 한 원인이 될 수 있다는 것이 발견되었다. 그 위에 백금과 지지층 사이 및 백금과 덮개층 사이의 규소층들은, 이들은 열로 인한 응력을 거의 발생시키지 않는다는(상호 보상에 의함) 이점을 갖는다.

도 1은 센서(1)를 보여주는데, 이 센서에는 막(2)이 단결정 규소 또는 이산화규소로 된 틀(3) 안에 형성되어 있다. 막(2) 위에는 가열체(4)가 배치되어 있다. 가열체(4)의 양측으로는 온도 감지체(5)가 배치되어 있다. 가열체(4)는 틀(3) 위에 배치된 리드선(6)을 통해 전기 접속되고 온도 감지체(5)도 틀(3) 위에 배치된 리드선(6)을 통해 전기적으로 접속된다. 리드선들(6)은 접속 영역들(7) 내로 연접되며, 그 영역들에는 가열체(4)와 접촉하기 위한 연결 와이어(5) 그리고 온도 감지체(5)와 접촉하기 위한 연결 와이어(5)가 형성될 수 있다.

도 2에는 막(2) 영역에 있어 센서(1)의 단면이 표시되어 있다. 도면으로부터 알 수 있는 것처럼, 틀(3) 그리고 막(2)의 치수는, 센서(1)의 배면으로부터 시작하여 막(2)에까지 뻗고 있는 공허부(8)에 의해 결정된다. 도면에는, 가열체와 온도 감지체(5)의 기하학적 치수가 과장되어 표시되어 있다. 상면 위에는 다시 예컨대 SiO2로 구성된 덮개층(9)이 있는데 이 층은 막(2)의 상면 및 가열 소자(4)와 온도 감지체(5)를 덮는다.

도 2에 표시된 이 센서는 그 작용 원리가 DE-PS 196 01 592로부터 알려진 질량 흐름 센서에 관한 것이다. 온도 감지체(5)와 관련된 이 가열 소자(4)는 얇은 백금층으로 구성된 저항 소자이다. 이 가열체(4)에 통해 전류가 흘러 가열체(4) 주위에 있는 막을 가열한다. 온도 감지체(5)에서 전기 저항을 측정함에 의해 막의 온도를 구할 수 있다. 표시된 센서의 상면 위에 흐름, 예컨대 공기 흐름이 지나가면 이 흐름과 연관된 질량류에 의해 막의 열이 소산된다. 그때에 흐름의 강도에 따라 막의 온도가 저하하는데, 흐름 방향에 따라 가열체(4) 양면에 배치된 온도 감지체(5)는 다른 온도를 나타낸다. 그와는 달리, 단지 한 가열 소자(4)를 막 위에 배치하고 이 가열된 소자의 저항을 측정함으로써 질량 흐름을 검출하는 것도 가능하다.

센서(1)의 제조는 공지의 방법에 의해 행해진다. 그때에는 먼저 규소판으로부터 시작하여 그 표면 위에 막층을 형성한다. 이 막층 위에 가열체(4) 및 온도 감지체(5)를 형성하는 것으로, 전체면에 백금층을 피복하고 그 백금층은 추가 공정 단계에서 구조 형상화한다. 그와 동시에 백금층으로부터는 리드 선(6)과 접속 영역을 제작하는데 이들은 그 폭이 가열체(4) 및 온도 감지체(5)와는 상이하다. 도선(6)은 그 폭이 보다 넓기 때문에 이 도선의 저항은 가열체(4) 및 온도 감지체(5)의 저항보다는 분명히 작다. 그리고 필요에 따라서는 덮개층(9)을 형성할 수도 있다. 추가의 단계에서는 규소판의 배면으로부터 막(2)에까지 이르는 공허부를 형성한다. 이런 센서 다수개를 규소 웨이퍼 위에 제작한 다음 다수개의 개별 센서로 분할할 수 있다.

도 3에는 가열 소자(4)의 영역에 있어 막의 확대 단면도가 표시되어 있다. 막(2)은 막층으로 호칭되는 유전성 지지층(21)에 의해 구성되어 있다. 이 절연성 막층(21)은 예컨대 이산화규소, 질화규소, 질화산화규소 또는 탄화규소로 구성될 수 있고 또는 적어도 두 개의 이들 층에 의해 샌드위치 연속층에 의해 구성될 수도 있다. 이들 재료는 특히 단결정 규소로 된 틀 위에 형성되어 있는 막에 특히 양호하게 적용될 수 있다. 그러나 특히 간단한 방법으로 또한 특히 양호한 물성으로 예컨대 규소판을 열산화시킴에 의해 규소판의 표면부에 형성될 수 있는 이산화규소를 최종층으로 하는 일련의 층이 바람직하다. 막층(21) 위에는 규소로 된 부착층(22)이 배치된다. 규소층(22) 위에는 백금층(23)이 배치된다. 추가의 실시형에 있어서는, 백금층(23) 위에 도면에 표시하지 않은 또 하나의 추가의 규소층을 배치하는 것도 가능하다. 필요한 경우에는 가열 소자(4)에 또한 경우에 따라 배치되는 온도 감지체(5)에 또 하나의 덮개층이 배치될 수 있다. 여기서 덮개층은 유전층(25)으로 구성되고, 이 층을 위해서는 경우에 따라 역시 규소로 된 부착 매개층(24)이 배치된다. 이산화규소 층(21)은 예컨대 규소판의 표면을 열 산화시킴에 의해 제조된다. 그런 열 산화층은 특히 고 품질의 것이다. 부착 매개성 층(22)은 그 자체 공지의 방법, 예컨대 규소의 스퍼터링에 의해 퇴적될 수 있다. 전자 빔 방법에 의해 증발 공정을 통해 규소층(22)을 형성하는 것 또는 MOCVD 법에 의해 기상으로부터 퇴적시키는 것도 가능하다. 이것은 반도체 기법을 이용하여 그 자체 공지의 공정으로 폴리 규소 박층을 퇴적하기 위한 것이다. 그렇게 하여 구성된 규소층(22)의 두께는 0.5 내지 2.4 나노미터이다. 특히 규소층(22)의 두께는 0.7 내지 1.2 나노미터이고, 또한 층을 양측으로 형성하는 한, 상측과 하측 모두를 0.7 나노미터로 하거나 또는 하측(22)은 1.2 나노미터로 하고 백금층(23)의 상측은 2.4 나노미터 이하로 한다.

한 실시예에서 사용된 수식되지 않은 백금층 계의 층 두께는 다음과 같다:

SiO2: 400 나노미터

Pt: 150 나노미터

SiO2: 500 나노미터

Pt: 380 ㎛

이 층 계는 이어서 백금의 전기적 물성을 센서 소자의 요구에 적합화시키고 안정화시키기 위해 700℃에서 템퍼링한다. 이 온도는 600 내지 800℃의 온도 범위, 바람직하게는 650 내지 750℃의 온도 범위를 이용할 수도 있다.

본 발명에 의한 실시에서, 백금층(23)의 상부 및/또는 하부에 규소층을 퇴적시킨다. 이하와 같은 Si-층 두께를 가진 다음의 실시예들은 본 발명을 보다 상세화하기 위해 기재된 것으로 여기서 기준층은 백금층(23)이다:

0.7 nm Si 일측 하부

0.7 nm Si 양측

1.2 nm Si 일측 하부

1.2 nm Si 양측

1.2 nm Si 하부 + 2.3 nm Si 상부

2.5 nm Si 양측.

상기한 규소 부착층에 관한 층 두께들은 백금 층 두께 150 ㎛를 가진 계에 관한 것이다.

상기한 것보다 더 큰 또는 더 작은 백금 층 두께의 경우에는, 규소 층 두께에 관한 상기한 각 상한은 같은 비로 증가 또는 감소시켜야 할 것이다.

규소층 2.5 나노미터의 두께의 경우에는, 서두에서 언급한 결점을 갖는 다중상-백금-규화물 계가 형성한다. 따라서, 경우에 따라 과잉이 되는 규소는 백금 내에 용해되고 그럼으로써 센서의 전기 및 기계적 장기 안정성을 극히 손상시키는 백금-규화물-다중상 계를 발생시키지 않도록, 규소층(22)의 두께는 단지 일정한 범위 내에서만 (작은 두께가 유지되는 범위 내) 변하게 하는 것이 상기한 본 발명의 특별한 특징이다.

도 3에는, 규소로 된 추가의 부착층(24) 및 이 층 위에 있는 덮개층 작용을 하는 추가의 이산화규소층(25)이 표시되어 있다. 규소층(24)도 역시 백금 재료 위에 규소 박층을 형성함으로써 이루어진 것이다.

도 3에 표시된 적층 구조물의 바람직한 제조법은, 열 산화물이 약 300 내지 700 나노미터, 바람직하게는 350 내지 400 나노미터의 층 두께로 증가하기까지 규소 웨이퍼의 표면을 열적으로 산화시키는 것으로부터 시작한다. 그런 뒤 스퍼터링 장치에서 0.5 내지 2.4 나노미터의 규소, 그 위에 100 내지 200 나노미터의 백금, 또한 그 위에 다시 0.5 나노미터의 규소를 스퍼터링 형성시킨다. 이어서 리소그래피 공정에 의한 구성화로 광 라커를 형성시키고 이어서 플라즈마 에칭 공정에서 위와 같이 제조된 적층 구조물을 상부 규소층(25) 내에 삽입 접합시킨다. 이것은 예컨대 이온 제트 빔에 의한 플라즈마 에칭 공정으로 수행될 수 있다. 그런 뒤 추가의 공정 단계에서 약 300 내지 500 나노미터, 바람직하게는 350 내지 400 나노미터 두께의 이산화규소 층을, 반도체 기법에서 알려져 있는 것과 같은 CVD에 의해 생성시킨다. 그런 후 템퍼링 공정이 행해지는 것으로, 즉 적층물을 500℃ 이상, 바람직하게는 600 내지 800℃, 아주 특별히 바람직하게는 650 내지 750℃로 가열한다. 이때 백금의 전기적 물성은 센서 소자의 요건으로 조정되고 안정화된다. 이용된 센서의 측정 원리의 경우, 백금층 저항의 온도 의존성은 가급적 정확히 또한 재현 가능하게 조절되는 것이 소망스럽다. 이것은 조질 과정에 의해 달성된다. 또한 그렇게 하여 생성된 저항의 온도 계수 및 저항 자체는 오랜 기간동안 안정화되고, 즉 이 온도 계수 또는 저항치는 수천 사용 시간을 지나서야 약간 저하하는 것이 보장된다. 마찬가지로, 한 재료만으로 하부층(21)을 구성하지 않고 여러 유전 재료, 예컨대 이산화규소, 질화규소, 질화산화규소로 된 일련의 층을 사용하는 것도 가능하다.

Claims (7)

1. 백금을 함유하는 층이 배치되어 있는 유전성 지지층 및 그 지지층 위에 배치된 하나이상의 덮개층을 갖는 박막 구조형 센서에 있어서,

   백금을 함유하는 층(23)의 한 표면은 규소를 함유하는 추가 부착층(22)에 의해 부분적으로(영역적으로) 덮개를 갖는 것을 특징으로 하는 박막 구조형 센서.
2. 제 1 항에 있어서, 백금을 함유하는 층(23)의 양 표면은 적어도 영역적으로 규소를 함유하는 부착층(22)을 갖는 것을 특징으로 하는 박막 구조형 센서.
3. 제 2 항에 있어서, 규소를 함유하는 양 부착층(22)의 두께는 서로 동일한 것을 특징으로 하는 박막 구조형 센서.
4. 제 2 항에 있어서, 규소를 함유하는 양 부착층(22)의 두께는 서로 상이한 것을 특징으로 하는 박막 구조형 센서.
5. 상기 항중 어느 한 항에 있어서, 규소를 함유하는 부착층(22)의 층 두께는 0.5 내지 2.5 나노미터가 되는 것을 특징으로 하는 박막 구조형 센서.
6. 상기 항중 어느 한 항에 있어서, 유전성 지지층(21) 위에는 하나이상의 온도 감지체(5)가 배치되는 것을 특징으로 하는 박막 구조형 센서.
7. 제 6 항에 있어서, 온도 감지체(5)가 금속, 바람직하게는 백금을 함유하는 것을 특징으로 하는 박막 구조형 센서.