KR0136210B1 - 자기센서 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

전계 방출 현상에 의해 냉음극으로부터 방출되는 전자가 자기자에서 원을 그리는 성질을 이용하기 위해 실리콘기판 상부에 냉음극 팁과, 그 주위의 게이트 및 저항띠를 형성하여, 냉음극팁으로부터 방출되는 전기의 2차원적 방향 및 세기를 측정한다.

Description

자기센서 및 그 제조방법

제1도는 (A)내지 (F)도는 본 발명의 자기 센서를 제조하는 공정을 순차적으로 도시한 단면도.

제2도는 제1도의 공정에 따라 제조된 본 발명의 자기센서의 단면도.

제3도는 본 발명의 자기센서의 평면도.

제4도는 본 발명의 자기센서를 구성하는 저항체 부근의 확대 평면도.

제5도는 본 발명의 자기센서의 동작을 전기적 등가회로로 설명하기 위한 도해도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1 : 실리콘기판2 : 실리콘산화막

3 : 냉음극팁4 : 절연층

5 : 게이트6 : 저항띠

7 : 음극금속띠8 : 양극 금속

9 : 저항체10 : 배선금속

본 발명은 전계방출(Field Emission) 현상에 의해 냉음극으로부터 방출되는 전자를 이용하여 자기장의 크기를 검출할 수 있는 자기센서 및 그 제조방법에 관한 것으로 상기 자기센서는 방사능으로 인한 피해가 없을뿐 아니라 성형성이 높은 응답특성을 가지며 측정범위가 넓은 특성을 가진다.

일반적으로 자기장을 측정하는 자기센서를 구현하기 위해서는, 홀 효과(Hall effect), 자기저항효과, 유도코일 또는 스퀴드(SQUID) 소자등을 이용하여 자기장을 측정하여 왔다.

먼저 홀 효과를 이용하는 방법은 전류가 흐르고 있는 판에 수직으로 자기장을 인가하면 전류의 방향과 자기장의 방향, 두 방향 모두에 수직한 방향으로 전기장이 발생하여 기전력이 나타나는 현상을 이용하는 방법이다.

다음에 자기저항효과를 이용하는 방법은 전기 저항이 자기상의 세기의 제곱에 비례하여 변하는 현상을 이용한 것으로 패러데이의 유도법칙을 사용하여 자기장이 유도 코일에 미치는 영향을 이용하여 자기장 측정을 하는 방법이다.

마지막으로 스퀴드(SQUID) 소자를 이용하는 방법은 초전도 상태에서 나타나는 자속 양자화(flux quantization)와 죠셉슨 효과를 이용하여 10^-10가우스(Gauss)까지의 자기장의 크기를 검출하는 방법이다.

그러나 상술한 방법중 홀 효과를 이용하는 방법은 선형성은 뛰어나나 외부로부터의 방사능에 소자의 특성이 나빠지는 방사능의 영향을 받기 쉬운 단점이 있으며, 자기저항효과를 이용하는 방법은 감도는 홀 효과를 이용하는 경우보다 뛰어나나 선형성이 현저하게 감소하는 단점이 있으며, 스퀴드 소자를 이용하는 방법은 스퀴드 소자가 매우 고가이며 소자의 특성상 초전도를 유지하기 위해 극저온을 유지해야 하므로 다른 센서들이 측정할 수 없는 매우 약한 자기장을 측정하는 경우에만 사용될 수 있는 단점이 있다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 냉음극을 이용하여 방사능의 영향을 받지 않으면서 선형성이 높은 응답 특성을 가지고 측정범위가 넓은 자기센서를 구현하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 전자방출기능을 가진 실리콘 기판과, 상기 실리콘기판을 사진식각공정을 이용하여 비등방성 식각함으로써 형성되는 냉음극팁과, 상기 냉음극팁이 형성된 실리콘기판 상부에 형성되는 절연층과,상기 절연층상부에 금속박막을 증착시킨 후 사진식각공정에 의해 형성되는 게이트와, 전체구조 상부에 다결정 실리콘을 증착하고 원하는 저항값을 갖도록 이온주입 공정을 행한 후, 사진식각 공정으로 형성되는 양의 전극 및 음의 전극과, 상기 양의 전극양단에 이온 주입 공정으로 형성되는 저항체를 포함하여 상기 냉음극팁으로부터 방출되는 전자의 2차원적 방향과, 자기장의 세기를 측정할 수 있는 자기센서를 특징으로 한다.

또한 본 발명은 실리콘기판상부에 실리콘 산화막을 증착시키는 단계와, 상기 실리콘 산화막 상부에 포토레지스터층을 형성시킨 후 사진식각공정으로 포토마스크를 형성하고 하부의 실리콘 산화막을 식각하여 마스크를 형성하는 단계와, 상기 마스크 하부의 실리콘기판을 비등방성식각하여 냉음극팁을 형성하는 단계와, 상기 냉음극팁이 형성된 실리콘기판 상부에 절연층을 형성하는 단계와, 상기 절연층상부에 금속박막을 증착시킨후, 사진식각공정으로 게이트를 형성하는 단계와, 상기 냉음극으로부터 게이트까지의 부분에 산화막을 도포한 후, 전체구조 상부에 다결정 실리콘을 증착하고 원하는 저항값을 갖도록 이온주입 공정을 행한 후, 사진식각공정으로 저항띠를 형성하는 단계와, 상기 저항띠 양단에 금속박막을 증착시킨 후 사진식각공정으로 양의 전극 및 음의 전극과 금속 배선을 형성시킨 후, 양의 전극 양단에 이온주입 공정으로 저항체를 형성하는 단계와, 상기 냉음극팁과 게이트 사이에 형성되어 있는 산화막을 제거하는 단계를 포함하는 자기센서 제조방법을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면으로 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

제1도의 (A) 내지 (F)도는 본 발명의 자기센서를 제조하는 공정을 순차적으로 도시한 단면도로서, 제1도의 (A)에 도시된 바와 같이, 먼저 전자방출기능을 가진 실리콘기판(1) 상부에 실리콘 산화막(2)을 증착시킨다.

그후 상기 실리콘 산화막(2)상에 포토레지스트층을 형성한 후, 제1도의 (B)에 도시된 바와 같이, 사진식각공정으로 포토마스크를 형성한 후, 그 하부의 실리콘 산화막(2)의 소정부분을 식각하여, 마스크(2')를 형성한다.

다음에 제1도의(C)에 도시된 바와 같이, 마스크(2') 하부의 실리콘기판(1)의 소정 두께 만큼 비등방성으로 식각함으로써, 냉음극팁(3)을 형성하고 제1도의(D)에 도시된 바와 같이 산화공정 또는 화학기상 증착(CVD)공정으로, 냉음극 팁(3)이 형성된 부분을 제외한 전체 실리콘기판(1) 상부에 절연층(4)을 형성한다.

이때, 절연층은 실리콘 산화막(Sio₂), 알루미늄 산화막(Al₂O₃) 또는 질화막(Si₃N₄)등의 재질이 사용된다.

다음에 제1도의 (E)에 도시된 바와 같이 절연층(4) 상부의 냉음극팁(3)의 부근에는 게이트(5)를 형성하고, 그 주위에는 저항띠(6)를 형성한다.(제1도의 F)

제2도는 제1도의 공정에 따라 제조된 본 발명의 자기센서의 단면도로서, 실리콘기판(1)의 중앙에는 인가된 전계에 의해 전자가 방출되는 냉음극팁(3)이 형성되어 있으며, 실리콘기판(1) 상부에는 절연층(4)이 형성되어 있다. 상기 냉음극팁(3) 부근에는 게이트(5)가 형성되어 있고, 그 주위로, 고리형 저항띠(6)가 형성되고, 게이트(5)는 외부전압이 인가될 수 있도록 구성되어 있다.

또한 점선으로 표시된 부분은 냉음극팁(2)으로부터 방출되는 전자의 궤적을 도시한 것이다.

제3도는 본 발명의 자기센서의 평면도를 도시한 것으로써, 중앙의 냉음극팁(3) 주위로 게이트(5)가 형성되어 있으며, 게이트(5) 주위에는 절연층(4)과 저항띠(6)가 교대로 형성되어 있다.

저항띠(6)이 양단에는 단일 음극 역할을 하는 음극금속띠(7)와 양극 역할을 하는 양극 금속띠(8)가 형성되어 있으며, 상기 양극 금속띠(8) 사이에는 저항체(9)가 형성되어 있다.

제4도는 본 발명의 자기센서를 구성하는 저항체 부근을 확대시켜 도시한 평면도로서, 그 상세한 설명은 제3도를 참조로 하여 이미 설명되어 있으므로 더 이상의 설명은 생략하기로 한다.

여기서, 상기 음극금속띠(7)와 양극금속띠(8)에는 각각 배선금속(10)이 연결되어 있다.

제5도는 본 발명의 자기센서의 동작원리를 전기적 등가 회로로 설명하기 위한 도해도로서, 그 동작을 살펴보면, 인가 전계에 의해 냉음극 팁(3)으로부터 방출되는 전자는 동심원을 형성하는 다수의 저항띠(예로서, 61,6m,6m,6o)중의 하나(예로서, 6n)에 도달하게 되는데, 여기서 방출전자의 속도(υ)는 게이트(5) 전압(v)에 의해 결정된다. x-y 평면상에 실리콘 기판(1)이 존재한다고 가정하면, x축 및 y축 방향의 자기장 성분에 의해 방출전자의 반원궤적 방향이 결정되고 이로인하여 가변저항(R)의 값이 결정된다. 즉, 전자의 반원궤적의 반경을 a라 하고, 전자의 질량을 m, 전자를 전하량을 q, 실리콘 기판(1)과 평행한 자기장 성분의 크기를 B, 사이클트론의 주파수를 W라 하면, 방출전자의 속도

따라서 방출전자의 속도 v는 자기장의 세기 B에 반비례하여 방출전자가 다수의 저항띠(6)중의 하나(예로서, 6n)에 떨어지게 된다.

다음에 제3도 및 4도에 도시되어 있는 방출전자의 궤적으로 자기장을 측정하는 과정을 제5도로 참고로 하여 설명하기로 한다.

제3도에 도시된 바와 같이, 냉음극팁(2)으로 부터의 방출전자가 6n으로 표시된 저항띠에 떨어지게되면, 이는 스위치 S가 n단자에 접속되어 조작되는 것과 동일한 작용을 한다. 따라서 단자 a와 c사이의 가변저항 R에 전류가 I가 공급된다.

이때 전압계 내부의 발생 전류를 i라 하면 i ≪ I가 되므로 노드 d와 노드 b 사이의 전위차

Vdb = i·3r + Ir = Ir이 된다.

노드 bc 사이의 전위차

Vbc = IR이 되며,

전류 I는 노드 b에 연결된 전류계로부터 얻어지며, 이로부터 자기장의 세기에 관련되는 r과 자기장의 2차원적 방향을 결정짓는 R을 됨으로써 자기장의 측정이 이루어진다.

여기서 강한 자기장을 측정할때는 게이트 전압을 높혀 주고, 약한 자기장을 측정할 때는 게이트 전압을 낮춰 줌으로써, 냉음극팁(3)으로부터 방출된 전자가 기존에 형성된 저항띠들(6)중 어느하나로 떨어지도록 하여 소정 센서의 크기 내에서 가변적인 세기의 자기장 측정도 가능하다.

여기서, 출력 감지부인 전류계(A) 및 전압계(V)를 디지털 회로를 사용하면 보다 더 소형이 가능하고, 신뢰성을 높일 수 있고, 또 저항체(9) 위치에 형광물질을 입혀서 시각측정 가능하게 하거나, 이미지 오르디콘(image orthicon)과 같은 촬상관을 사용하여 증폭된 상도 얻을 수 있다.

이상에서 살펴본 바와같이, 냉음극을 이용한 본 발명의 자기센서 및 그 제조방법에 따르면, 전계 방출에 의해 냉음극으로부터 방출된 전자가 자기장 속에서 원을 그리는 성질을 이용하여 자기장의 세기와 방향을 측정할 때, 방사능의 영향을 받지 않으면서 선형성이 높은 응답특성과 측정범위가 넓은 자기센서를 구현할 수 있다.

Claims (8)

1. 전자방출기능을 가진 시릴콘기판과, 상기 실리콘기판을 사진식각공정을 이용하여 비등방성 식각함으로써 형성되는 냉음극팁과, 상기 냉음극팁이 형성된 실리콘기판상부에 형성되는 절연층과, 상기 절연층상부에 금속박막을 증착시킨 후 사진식각공정에 의해 형성되는 게이트와, 전체구조 상부에 다결정 실리콘을 증착하고 원하는 저항값을 갖도록 이온주입 공정을 행한 후, 사진식각공정으로 형성되는 저항띠와, 상기 저항띠 양단에 금속박막을 증착시킨 후, 사진식각공정으로 형성되는 양의 전극 및 음의 전극과, 상기 양의 전극 양단에 이온주입공정으로 형성되는 저항체를 포함하여, 상기 냉음극팁으로 부터 방출되는 전자의 2차원적 방향과 자기장의 세기를 측정할 수 있는 자기센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 실리콘기판에 형성되는 냉음극팁은 출력신호를 높이기 위해 중앙에 두개이상 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기센서.
3. 제1항에 있어서, 측정가능한 자기장의 세기영역을 확대시킬 수 있도록, 상기 게이트에 가해지는 전압이 가변 전압인 것을 특징으로 하는 자기센서.
4. 제1항에 있어서, 상기 실리콘기판 상부의 절연체상에 형성되는 저항띠와 양의 전극사이에 형성되는 저항체 부분에 형광체를 도포하여 육안으로 출력을 감지할 수 있도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기센서.
5. 제4항에 있어서, 상기 형광체로부터 출력된 신호를 증폭시켜, 상기 신호를 더욱 용이하게 감지할 수 있도록 촬상관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기센서.
6. 제1항 또는 4항에 있어서, 상기 저항띠의 재질은 다결정 실리콘, 비정질 실리콘 또는 이에 불순물이 함유되어 있는 실리콘인 것을 특징으로 하는 자기센서.
7. 실리콘기판상부에 실리콘 산화막을 증착시키는 단계와, 상기 실리콘 산화막 상부에 포토레지스터층을 형성시킨 후 사진식각공정으로 포토마스크를 형성하고 하부의 실리콘 산화막을 식각하여 마스크를 형성하는 단계와, 상기 마스크 하부의 실리콘기판을 비등방성식각하여 냉음극팁을 형성하는 단계와, 상기 냉음극팁이 형성된 실리콘기판 상부에 절연층을 형성하는 단계와, 상기 절연층상부에 금속박막을 증착시킨 후, 사진식각공정으로 게이트를 형성하는 단계와, 상기 냉음극으로부터 게이트까지의 부분에 산화막을 도포한 후, 전체구조 상부에 다결정 실리콘을 증착하고 원하는 저항값을 갖도록 이온주입 공정을 행한 후, 사진식각공정으로 저항띠를 형성하는 단계와, 상기 저항띠 양단에 금속박막을 증착시킨 후 사진식각공정으로 양의 전극 및 음의 전극과 금속 배선을 형성시킨 후, 양의 전극 양단에 이온 주입 공정으로 저항체를 형성하는 단계와, 상기 냉음극팁과 게이트 사이에 형성되어 있는 산화막을 제거하는 단계를 포함하는 자기센서 제조방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 냉음극팁이 형성된 실리콘기판 상부에 형성되는 절연층은 실리콘 산화막, 알루미늄 산화막 또는 질화막인 것을 특징으로 하는 자기센서 제조방법.