KR100307462B1 - 박막 써미스터의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 망간(Mn)과 니켈(Ni)의 몰 비를 2:1 내지 5:1로 하여 형성한 MnNi 또는 망간(Mn), 코발트(Co)와 니켈(Ni)의 몰 비를 54:43:3 내지 60:30:10로 하여 형성한 MnCoNi을 타겟으로한 후, 아르곤과 산소의 혼합 가스 분위기 중 산소를 일정한 비율로 유지하면서 스퍼터링함으로써 박막 써미스터를 제조한다.
이때, 아르곤과 산소의 혼합 가스 분위기 중 산소의 함량비를 0.5% 내지 0.9%의 범위 내로 유지하면서 스퍼터링을 하면 비저항 특성이 좋은 박막 써미스터를 제조할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면 상온에서 스퍼터링을 행함으로써 박막 써미스터를 제조할 수 있다.
따라서, 기판을 가열하지 않고 반응가스 중 산소 함량비를 비교적 낮은 일정한 범위내로 제어하여 써미스터 박막을 형성하기 때문에 저온용 재료를 박막형성용 기판으로 광범위하게 이용할 수 있으며, 비교적 낮은 산소 함량비의 가스를 사용하기 때문에 박막의 형성속도가 크고, 전기적, 기계적 특성의 신뢰성 및 재현성이 우수한 박막 써미스터 소자를 제조할 수 있다.
Description
본 발명은 박막 써미스터의 제조방법에 관한 것으로, 특히 박막 부온도 계수(negative temperature coefficient; NTC) 써미스터의 제조 방법에 관한 것이다.
NTC 써미스터는 온도상승에 따라 저항이 지수적으로 감소하는 성질을 갖는 부품으로 일반적으로 금속 산화물 반도체 재료를 사용하여 제조한다. 이러한 NTC써미스터는 실용적인 저항율, 큰 온도계수, 안정성 및 생산성이 양호하므로 현재 온도센서 및 전자회로의 온도보상용 등으로 전자·정보통신을 포함한 각종 산업분야에 다양하게 응용되고 있다. 현재 범용 NTC 써미스터 재료로는 망간(Mn), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 크롬(Cr), 철(Fe), 아연(Zn) 등의 산화물의 2 내지 4 성분계가 사용되고 있으며, 이중에서 Mn-Ni계, Mn-Co-Ni계, Mn-Fe-Ni계, Mn-Co-Cu계, Mn-Ni-Cu계, Mn-Fe-Co-Ni계 산화물 등이 가장 많이 사용되고 있다.
일반적으로 벌크(bulk) 형태의 NTC 써미스터 소자는 상기의 금속 혼합 산화물을 1100℃-1300℃부근에서 열처리하여 반도체의 전기적 성질을 나타내는 화합물을 형성함으로써 제조한다. 그러나, 이러한 벌크 형태의 써미스터는 경박 소형화를 요구하는 전자·통신 부품에 적용하는 데 어려움이 있으며, 또한 써미스터의 특성 및 품질 향상이 상당히 어려운 단점을 가지고 있다.
따라서, 근래에는 이러한 벌크형 NTC 써미스터의 단점을 보완하여, 경박 단소화가 가능하고 응답성이 좋으며 고정도 및 신뢰성이 높은 고성능 박막 NTC 써미스터의 제조기술 및 제품개발이 시도되고 있다.
박막 써미스터는 일반적으로 고주파 스퍼터링(sputtering)을 이용하여 벌크형 써미스터 재료 타겟을 알루미나 등의 기판 위에 증착함으로써 형성한다.
이때, 박막 써미스터의 비저항 특성을 향상시키기 위해 종래에는 스퍼터링시에 일반적으로 기판을 200 - 600℃정도로 가열하면서 박막을 증착하고, 또한 증착후 500 - 1000℃의 온도에서 열처리하는 방법이 사용되고 있었다.
또한, 스퍼터링시에 사용되는 방전 가스로서 아르곤(Ar)에 산소를 혼합한 기체를 사용하고, 이 산소의 혼합 비율을 조정함으로써 비저항 특성을 조정하는 기술이 일본국 특허 공개 공보 평9-95208호에 기재되어 있다.
상기 공보에 따르면, 산소와 아르곤 가스를 혼합한 기체를 스퍼터링의 반응 가스로 사용하는 경우에 써미스터 박막의 비저항 특성의 변화는 산소함량 증가에 따라 지수적으로 계속 감소하는 경향을 보였으며, 구체적으로 산소 함량비가 3%이상에서부터 박막 써미스터 소자로 적합한 특성을 나타내었다.
그러나, 종래와 같이 산소 함량비가 수% 이상으로 증가할 경우에는 써미스터의 증착 속도가 크게 감소하기 때문에 써미스터 박막을 형성하는 시간이 현저히 증가하여 결국 생산성이 크게 떨어지게 된다.
또한, 산소 함량비가 증가할 경우 형성된 써미스터 박막에 미세기공이 많이 존재하여 박막의 밀도가 떨어지게 되며, 이에 따라 증착 및 열처리 후에 박막의 전기적 특성, 특히 비저항 특성의 균일성 및 재현성이 저하되는 단점이 있다,
또한, 수%의 산소농도 분위기에서 기판을 가열하여 스퍼터링할 경우에는 형성된 써미스터 박막과 전극간의 접착력이 약화되어 써미스터 박막이 전극과 분리되어 떨어지는 현상이 나타나며, 이에 따라 제조된 박막 써미스터 소자의 안정된 전기적, 기계적 특성을 얻을 수 없는 단점이 있다.
게다가, 이와 같이 증착시 기판온도를 가열하여 박막 써미스터를 제조하는 경우에는 고온에서 제조할 수 있는 기판이 사용되어야 하므로, 폴리이미드 등과 같은 유기재료 및 저온용 글래스 등의 기판을 사용할 수 없는 단점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 스퍼터링 방법에 의한 박막 NTC 써미스터 제조시 기판의 온도를 가열하지 않고, 스퍼터 내부의 가스 분위기 중 아르곤과 산소의 혼합비율을 비교적 낮은 일정범위로 제어하여 써미스터 박막을 형성하기 위한 것이다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 박막 써미스터의 평면도이다.
도2는 도1의 A-A'선의 수직 단면도이다.
도3은 본 발명의 실시예에 따른 박막 써미스터의 제조 방법을 설명한다.
도4는 본 발명의 제1 실시예에 따라 제조되는 박막 써미스터의 특성을 나타내는 그래프이다.
도5는 본 발명의 제2 실시예에 따라 제조되는 박막 써미스터의 특성을 나타내는 그래프이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 특징에 따른 박막 써미스터 제조 방법은
기판 위에 전극 패턴을 형성하는 단계; 망간(Mn)과 니켈(Ni)의 몰 비를 2:1 내지 5:1로 하여 형성한 MnNi을 타겟으로 한 후, 스퍼터링 방법에 의해 상기 기판 및 전극 패턴 상에 써미스터 박막을 형성하는 단계와; 상기 써미스터 박막 위에 보호막을 형성하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 써미스터 박막은 아르곤과 산소의 혼합 가스 분위기 중 산소를 일정한 비율로 유지하면서 스퍼터링함으로써 형성하는 것이 바람직하며, 상기 아르곤과 산소의 혼합 가스 분위기 중 산소의 함량비는 0.5% 내지 0.9%의 범위 내에 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 써미스터 박막은 상온에서 스퍼터링을 행함으로써 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 다른 특징에 따른 박막 써미스터의 제조 방법은
기판 위에 전극 패턴을 형성하는 단계; 망간(Mn), 코발트(Co)와 니켈(Ni)의 몰 비를 54:43:3 내지 60:30:10로 하여 형성한 MnCoNi을 타겟으로 한 후, 스퍼터링방법에 의해 상기 기판 및 전극 패턴 상에 써미스터 박막을 형성하는 단계와; 상기 써미스터 박막 위에 보호막을 형성하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 써미스터 박막은 아르곤과 산소의 혼합 가스 분위기 중 산소의 함량비를 0.5% 내지 0.9%의 범위 내로 유지하여 스퍼터링함으로써 형성하는 것이 바람직하며, 또한 상기 써미스터 박막은 상온에서 스퍼터링을 행함으로써 형성하는 것이 바람직하다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 박막 써미스터의 평면도이며, 도2는 도1에 도시한 박막 써미스터를 A-A' 선으로 자른 수직 단면도이다.
도1 및 도2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 박막 써미스터의 구조는 유리나 알루미나 등으로 이루어지는 기판(10), 상기 기판 상의 양옆에 형성되어 외부로부터의 신호를 인가받는 전극(20), 상기 전극 사이의 기판 및 전극 위에 형성되는 NTC 써미스터 박막(30) 및 상기 써미스터 박막 위에 형성되어 써미스터 박막을 보호하기 위한 보호막(40)으로 이루어진다.
도1 및 도2에 도시한 써미스터 박막의 제조 방법을 도3을 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저, 유리나 알루미늄으로 이루어진 기판(10)을 세정한 후(S10), 상기 기판(10) 위에 백금(Pt), 은(Ag), 금(Au) 등의 금속막을 스퍼터링(sputtering) 방법 등으로 적층한다. (S20) 그리고 나서, 상기 금속막을 사진 식각하여 도1 및 도2에 도시한 바와 같은 전극 패턴을 형성한다. (S30)
그런 후, 상기 전극 패턴 위에 후술하는 방법으로 만든 MnNi 및 MnNiCo 산화물의 소결체를 써미스터 타겟으로 사용하여, Ar에 산소를 혼합한 가스 분위기 중에서 스퍼터링함으로써 써미스터 박막을 형성한다. (S40)
그리고 나서, 상기 써미스터 박막 위에 이산화 규소(SiO2) 등으로 이루어진 보호막을 형성한다. (S50)
다음에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 박막 써미스터의 제조 방법을 보다 상세하게 설명한다.
먼저, Mn과 Ni을 이용하여 써미스터 타겟을 만드는 방법에 대하여 설명한다. Mn:Ni의 몰(mol)비가 4:1이 되도록 Mn과 Ni 산화물의 원료를 플래너터리 볼 밀(planetary ball mill)을 사용하여 혼합한다. 그리고 나서, 상기 혼합된 원료를 건조시킨 후 분쇄 및 약 800℃의 온도 하의 하소(calcination) 공정을 거친 후 결합제를 첨가한 다음 다시 플래너터리 볼 밀로 혼합한다.
그 후, 혼합된 원료를 건조시키고, 분쇄 및 체질(sieving)을 한 다음 핸드 프레스(hand press)로 1차 성형을 마친 뒤 CIP(Cold Isostatic Press)을 이용하여 성형을 한다. 그리고 나서, 이 성형체를 약 1250℃에서 4시간 동안 소결(sintering)을 하여 써미스터 타겟을 제작한다.
다음에는 스퍼터링 장치를 이용하여 아르곤 가스 분위기에서 기판을 세정한 후, 전극막을 증착한다. 이때, 전극의 기판 접착력을 증가시키기 위해 먼저 탄탈륨(Ta) 박막을 약 500Å의 두께로 증착하고, 그 위에 금(Au) 박막을 약 6000Å의 두께로 증착한다.
그리고 나서, 써미스터 박막을 도포할 전극의 패턴을 형성하기 위하여 먼저 Au 막이 증착된 기판 위에 감광액을 약 1.2㎛의 두께로 도포한 후, 소프트 베이크(softbake)를 실시한다. 다음에 자외선(ultra violet; UV) 노광 장비를 이용하여 노광한 후 현상액으로 현상하고, 다시 하드 베이크(hardbake)를 실시한다. 그리고 나서, Au 막과 Ta 막을 전용 식각 용액으로 식각하여 전극을 완성하였다.
그리고 나서, 스퍼터링 장치에서, 상기에서 형성한 MnNi 산화물의 소결체를 써미스터 박막 타겟으로 사용하여 상기 Au 박막 패턴 위에 써미스터 박막을 증착한다. 이때, 상기 스퍼터링의 가스 분위기로 아르곤 가스와 산소를 혼합하며, 전체 가스에 대한 산소의 농도를 일정하게 유지하면서 상온에서 약 0.5에서 1.0㎛ 두께의 Mn-Ni 계 써미스터 박막을 증착한다.
그 후, 써미스터 박막을 보호하기 위하여 스퍼터링 방법을 이용하여 SiO2막을 두께 약 3000Å의 두께로 증착한다.
도4는 본 발명의 제1 실시예에 따라, Mn:Ni의 몰비를 4;1로 한 MnNi 화합물의 소결체를 써미스터 타겟으로 사용한 경우에 아르곤 및 산소의 혼합 가스 분위기 중 산소 농도비를 0.04, 0.16, 1.0까지 변화시키면서 얻은 박막의 비저항 대 산소농도비를 나타내는 그래프이다.
도4에서, 가로축은 아르곤 및 산소의 혼합 가스 분위기 중 산소가 차지하는 % 농도비를 나타내며, 세로축은 박막 써미스터의 비저항 값(Ωcm)을 나타낸다.
도4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따르면 박막의 비저항 값은 산소 농도가 0.7% 부근에서 최저 값을 나타낸다. 또한, 가스 분위기 중 산소 함량 비를 0.5 내지 0.9의 범위 내에서 조절하면 비저항 값이 낮은 써미스터 박막을 형성할 수 있다.
따라서, 수% 내지 10 %정도의 산소 함량비가 요구되는 종래의 써미스터 박막 제조 방법에 비해 박막 형성 속도가 빠르고 또한 박막 내부에 미세 기공이 거의 없는 고밀도의 박막을 제조할 수 있다. 이에 따라 비저항 특성의 균일성과 재현성이 우수하며, 기판 가열시 생기는 기판과 써미스터 박막간의 분리현상이 없어서 박막 써미스터 소자의 기계적 안정성이 우수하게 된다.
또한, 기판을 가열하지 않고 우수한 특성이 얻어질 수 있으므로 기판재료로 폴리이미드와 같은 유기재료나 저융점 글래스 등을 사용할 수다.
이상에서 설명한 본 발명의 제1 실시에에서는 Mn과 Ni의 몰 비가 4:1인 써미스터 타겟을 사용하였으나, 이 외에 Mn과 Ni의 몰비를 2:1 ∼ 5:1 의 범위 내에 있는 써미스터 타겟을 사용하는 경우에도 마찬가지로 낮은 산소 함량 비에서 비저항 특성이 좋은 써미스터 박막을 형성할 수 있다.
다음은 본 발명의 제2 실시예에 따른 박막 써미스터의 제조 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 제2 실시예에 따르면 써미스터의 타겟으로서 Mn:Co:Ni의 몰비가 53.5:43:3.5인 타겟을 사용하였으며, 본 발명의 제1 실시예와 마찬가지로 아르곤 및 산소의 혼합 가스 분위기 중 산소 농도비를 일정하게 유지하면서 박막 써미스터를 제조하였다. 도5는 아르곤 및 산소의 혼합 가스 분위기 중 산소 농도비를 0, 0.04, 0.16, 1.0까지 변화시키면서 얻은 박막의 비저항 대 산소농도비를 나타내는그래프이다.
도5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에서도 가스 분위기 중 산소 함량 비를 0.5 내지 0.9의 범위 내에서 조절하면 비저항 값이 낮은 써미스터 박막을 형성할 수 있다. 따라서, 종래의 써미스터 박막 제조 방법에 비해 박막 형성 속도가 빠르고 또한 박막 내부에 미세 기공이 거의 없는 고밀도의 박막을 제조할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 제2 실시예에서는 Mn, Co, Ni의 몰 비가 53.5:43:3.5인 써미스터 타겟을 사용하였으나, 이 외에 Mn:Co:Ni 비가 54:43:3 ∼ 60:30:10의 범위 내에 있는 써미스터 타겟을 사용하는 경우에도 마찬가지로 낮은 산소 함량 비에서 비저항 특성이 좋은 써미스터 박막을 형성할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 기판을 가열하지 않고 반응가스 중 산소 함량비를 비교적 낮은 일정한 범위내로 제어하여 써미스터 박막을 형성함으로써 폴리이미드 등 유기재료, 저융점 글래스 등 저온용 재료를 박막형성용 기판으로 광범위하게 이용할 수 있다. 또한, 비교적 낮은 산소 함량비의 가스를 사용함으로써 박막의 형성속도가 크고, 전기적, 기계적 특성의 신뢰성 및 재현성이 우수한 박막 써미스터 소자를 제조할 수 있다.
Claims (4)
- (정정)절연성 재료로 이루어진 기판 위에 금속막을 스퍼터링하여 적층한 후 사진 식각하여 전극 패턴을 형성하는 단계;망간(Mn)과 니켈(Ni)의 몰 비가 2:1 내지 5:1로 포함되어 있는 MnNi의 타겟을 상온에서 스퍼터링하여 상기 기판 및 전극 패턴 상에 써미스터 박막을 형성하는 단계; 및상기 써미스터 박막을 덮는 보호막을 형성하는 단계를 포함하는 박막 써미스터 제조 방법.
- 제1항에서,상기 써미스터 박막은 아르곤과 산소의 혼합 가스 분위기 중 산소의 함량비를 0.5% 내지 0.9%의 범위 내로 유지하여 스퍼터링함으로써 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 써미스터 제조 방법.
- (정정)절연성 재료로 이루어진 기판 위에 금속막을 스퍼터링하여 적층한 후 사진 식각하여 전극 패턴을 형성하는 단계;망간(Mn), 코발트(Co)와 니켈(Ni)의 몰 비가 54:43:3 내지 60:30:10로 포함되어 있는 MnCoNi의 타겟을 상온에서 스퍼터링하여 상기 기판 및 전극 패턴 상에 써미스터 박막을 형성하는 단계; 및상기 써미스터 박막을 덮는 보호막을 형성하는 단계를 포함하는 박막 써미스터 제조 방법.
- 제4항에서,상기 써미스터 박막은 아르곤과 산소의 혼합 가스 분위기 중 산소의 함량비를 0.5% 내지 0.9%의 범위 내로 유지하여 스퍼터링함으로써 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 써미스터 제조 방법.
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