KR100395246B1 - Resistance thermometer device for micro thermal sensors and its fabrication method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘기판과 산화마그네슘막을 매개층으로 하여 형성하는 측온저항체형 온도센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a RTD type temperature sensor formed using a silicon substrate and a magnesium oxide film as an intermediate layer, and a manufacturing method thereof.
이를 위해 상기 실리콘기판의 자연산화막을 제거하기 전에 상기 실리콘기판을 세척하고, 실리콘기판의 자연산화막을 제거하며, 상기 실리콘기판의 자연산화막을 제거한 후 열산화막을 증착하고, 상기 열산화막위에 산화마그네슘막을 증착하며, 상기 증착한 산화마그네슘막 위에 백금박막을 증착하도록 한다.To this end, the silicon substrate is washed before the natural oxide film of the silicon substrate is removed, the natural oxide film of the silicon substrate is removed, the natural oxide film of the silicon substrate is removed, a thermal oxide film is deposited, and a magnesium oxide film is deposited on the thermal oxide film. And depositing a platinum thin film on the deposited magnesium oxide film.
Description
본 발명은 측온저항체형 온도센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 실리콘기판과 산화마그네슘막을 매개층으로 하여 형성하는 백금박막형 온도센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a temperature resistance resistor type temperature sensor and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a platinum thin film type temperature sensor formed using a silicon substrate and a magnesium oxide film as an interlayer.
일반적으로 마이크로 전자기계시스템은 실리콘 미세가공기술을 이용하여 소형, 경량, 저가격, 고속응답, 집적화 및 대량생산이 가능하도록 하기 위한 연구개발이 가속화되고 있다. 현재까지 백금박막형 측온저항체 온도센서는 알루미나기판상에 제작되고 있다. 그러나, 마이크로 열센서 개발시 온도센서의 집적화가 필요하기 때문에 실리콘기판상에 측온저항체형 온도센서의 제작이 필요하다. 특히, 마이크로 열센서(가스센서, 유량/유속센서, 진공센서, 가속도 센서를 포함한다.)는 동작온도가 센서의 감도, 선택성 그리고 응답시간 등의 특성을 최적화시키는데 중요한 요소로서 작용한다. 따라서, 마이크로머시닝기술에 의한 저전력소비, 정확한 동작온도제어, 저열적 용량, 센서 어레이화가 쉽고 높은 저항온도계수 그리고 집적화가 용이하며 온도에 따른 저항변화의 선형성이 우수한 마이크로 열형 센서용 온도센서의 개발이 요구되고 있다.In general, microelectromechanical systems using silicon micromachining technology is accelerating research and development to enable small size, light weight, low cost, high-speed response, integration and mass production. To date, platinum thin film type resistance thermometers have been manufactured on alumina substrates. However, since the development of micro thermal sensors requires the integration of temperature sensors, the production of RTD type temperature sensors is required on silicon substrates. In particular, micro thermal sensors (including gas sensors, flow / flow sensors, vacuum sensors, and acceleration sensors) play an important role in optimizing the characteristics of the sensor's sensitivity, selectivity, and response time. Therefore, the development of micro thermal sensor temperature sensor with low power consumption, accurate operating temperature control, low thermal capacity, easy sensor array, high resistance temperature coefficient, and easy integration, and excellent linearity of resistance change with temperature It is required.
현재, pn접합 다이오드를 이용한 온도센서와 백금을 센서 물질로 사용한 박막형 측온저항체 온도센서 등을 이용한 마이크로 열센서용 온도센서에 관하여 연구되고 있다. pn접합 다이오드를 이용한 온도센서의 경우, CMOS를 제조하기 위한 공정을 이용하여 제작할 수 있는 장점이 있지만, 온도변화에 따른 출력값의 선형성이 떨어진다. 박막형 측온저항체 온도센서는 백금의 열적·화학적 우수한 특성과 높은 저항온도계수 그리고 넓은 온도범위에서 온도에 따른 저항변화의 우수한 선형성에 의해 정확한 온도제어가 가능하다. 실리콘기판상에 박막형 측온저항체 온도센서를 제작할 경우, 열산화막에 대한 백금의 부착특성이 나쁘기 때문에 크롬, 알루미늄산화 등의 매개층을 이용하여 제작하려는 연구개발이 진행되고 있다.Currently, a temperature sensor for a micro thermal sensor using a temperature sensor using a pn junction diode and a thin film type RTD temperature sensor using platinum as a sensor material has been studied. In the case of a temperature sensor using a pn junction diode, there is an advantage that it can be manufactured using a process for manufacturing CMOS, but the linearity of the output value due to temperature change is poor. The thin film type RTD temperature sensor is capable of precise temperature control by the excellent thermal and chemical properties of platinum, high resistance temperature coefficient and excellent linearity of resistance change with temperature over wide temperature range. In the case of manufacturing a thin film type RTD temperature sensor on a silicon substrate, since the adhesion property of platinum to the thermal oxide film is poor, research and development are being conducted to manufacture using an intermediate layer such as chromium or aluminum oxide.
그러나 금속을 이용할 경우, 백금박막의 결정화를 위한 고온 열처리 과정에서 매개층으로 이용된 금속물질이 백금과 반응하여 백금이 갖는 고유특성을 저하시킬 뿐만 아니라 부착특성을 저하시키는 결과를 가져오게 된다. 백금은 용융점(1780℃)이 상당히 높은 물질로 백금박막이 벌크 특성을 갖기 위해서는 1000℃ 이상의 고온에서 열처리를 필요로 한다. 이처럼 고온에서 백금과 반응없이 부착특성을 개선시키기 위해서는 매개층으로 금속물질보다는 유전체 물질을 사용하는 것이 더욱 안정적이므로, 이러한 유전체 물질을 이용하여 고온에서 백금과 반응 없이 부착특성을 개선하기 위한 온도센서의 개발이 요구되고 있다.However, when the metal is used, the metal material used as the intermediate layer in the high temperature heat treatment process for the crystallization of the platinum thin film reacts with the platinum, thereby lowering the intrinsic properties of the platinum and the adhesion properties. Platinum has a melting point ( 1780 ° C.) is a material that is quite high and requires the heat treatment at a high temperature of 1000 ° C. or more for the platinum thin film to have bulk characteristics. As such, it is more stable to use a dielectric material rather than a metallic material as an intermediate layer in order to improve adhesion characteristics without reaction with platinum at a high temperature. Therefore, by using such a dielectric material, a temperature sensor for improving adhesion characteristics without reaction with platinum at a high temperature is used. Development is required.
따라서, 본 발명의 목적은 집적화가 용이한 열산화된 실리콘기판상에 고온 열처리시 백금박막과의 반응을 피할 수 있으며 절연특성이 우수하고, 감지물질의 부착특성을 향상시킬 수 있는 마이크로 열센서용 측온저항체 온도센서 및 그 제조방법을 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to avoid reaction with the platinum thin film during high temperature heat treatment on a thermally oxidized silicon substrate that is easy to integrate, and has excellent insulation properties, and can improve adhesion properties of sensing materials. The present invention provides a temperature resistance resistor temperature sensor and a method of manufacturing the same.
본 발명의 다른 목적은 내열성이 우수한 이온성 산화물질인 산화마그네슘박막을 매개층으로 하여 화학적, 열적 안정성이 높으며 응답특성이 양호한 백금을 감지물질로 사용하는 마이크로 열센서용 측온저항체 온도센서 및 그 제조 방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is a temperature resistance resistor temperature sensor for micro thermal sensors using platinum as a sensing material having high chemical and thermal stability and good response characteristics by using a magnesium oxide thin film which is an ionic oxide having excellent heat resistance as a medium. In providing a method.
본 발명의 또 다른 목적은 열산화된 실리콘기판과 산화마그네슘막을 매개층으로 이용한 경량, 소형, 고속응답, 대량생산 및 센서 어레이화가 쉬운 마이크로 열센서용 백금박막형 측온저항체 온도센서 및 그 제조 방법을 제공함에 있다.It is still another object of the present invention to provide a platinum thin film type temperature resistance temperature sensor for a micro thermal sensor and a method for manufacturing the same, which are lightweight, small size, high-speed response, mass production, and easy sensor array using a thermally oxidized silicon substrate and a magnesium oxide film as intermediate layers. Is in.
본 발명의 또 다른 목적은 고온에서 센서의 특성에 영향을 미칠 수 있는 기판과 감지물질 사이의 반응을 피할 수 있는 마이크로 열센서용 측온저항체 온도센서 및 그 제조 방법을 제공함에 있다.Still another object of the present invention is to provide a resistance thermometer for a micro thermal sensor, and a method of manufacturing the same, which can avoid a reaction between a substrate and a sensing material that may affect the characteristics of the sensor at a high temperature.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 온도센서의 구조를 보인 단면도1 is a cross-sectional view showing the structure of a temperature sensor according to an embodiment of the present invention
도 2는 본 발명의 열산화된 실리콘기판위에 반응성 스퍼터링으로 증착된 매개층 산화마그네슘 박막의 표면 SEM사진.Figure 2 is a SEM image of the surface of the intermediate layer magnesium oxide thin film deposited by reactive sputtering on the thermally oxidized silicon substrate of the present invention.
도 3은 본 발명의 열산화된 실리콘 기판위에 산화마그네슘막을 매개층으로 증착된 백금박막의 표면 SEM사진.Figure 3 is a SEM image of the surface of the platinum thin film deposited on the thermally oxidized silicon substrate of the present invention as a medium layer of a magnesium oxide film.
도 4는 본 발명의 열산화된 실리콘기판위에 산화마그네슘막을 매개층으로 증착된 백금박막의 열처리에 따른 XRD 회절패턴도.Figure 4 is an XRD diffraction pattern of the heat treatment of the platinum thin film deposited on the thermally oxidized silicon substrate of the magnesium oxide film as a media layer.
도 5는 본 발명의 열산화된 실리콘기판위에 산화마그네슘막을 매개층으로 증착된 백금박막의 열처리에 따른 비저항값의 변화 그래프.Figure 5 is a graph of the change in the resistivity value of the platinum thin film deposited on the thermally oxidized silicon substrate of the present invention as a medium layer of a magnesium oxide film.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘기판과 알루미나기판위에 각각 제작된 백금박막형 측온저항체 온도센서의 온도에 따른 저항온도계수 변화 그래프 및 저항변화율 변화 그래프.FIG. 6 is a graph showing resistance temperature coefficient change and resistance change rate according to temperature of a platinum thin film type RTD temperature sensor manufactured on a silicon substrate and an alumina substrate according to an embodiment of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
100 : 실리콘기판 110 : 열산화막100: silicon substrate 110: thermal oxide film
120 : 산화마그네슘막 130 : 백금박막층120: magnesium oxide film 130: platinum thin film layer
140: 보호막140: shield
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 본 발명에 의한 박막형 측온저항체 온도센서는 실리콘기판위에 열산화막과 산화마그네슘막이 차례로 형성되어 구성되고, 산화마그네슘막을 매개층으로 백금 박막층이 형성함을 특징으로 한다.The thin film type RTD temperature sensor according to the present invention for achieving the above object is formed by sequentially forming a thermal oxide film and a magnesium oxide film on a silicon substrate, characterized in that the platinum thin film layer is formed using a magnesium oxide film as a mediating layer.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 측온저항체 온도센서 제조방법에 있어서, 실리콘기판의 자연산화막을 제거하는 과정과, 상기 실리콘기판의 자연산화막을 제거한 후 열산화막을 증착하는 과정과, 상기 열산화막위에 산화마그네슘막을 증착하는 과정과, 상기 증착한 산화마그네슘막위에 고주파 스퍼터링법을 이용하여 백금 박막을 증착하는 과정으로 이루어짐을 특징으로 한다.In the method of manufacturing the RTD temperature sensor of the present invention for achieving the above object, a process of removing a natural oxide film of a silicon substrate, a process of depositing a thermal oxide film after removing the natural oxide film of the silicon substrate, and on the thermal oxide film And a process of depositing a magnesium oxide film and depositing a platinum thin film on the deposited magnesium oxide film using a high frequency sputtering method.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In describing the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
본 발명 측온저항체 온도센서의 상기 백금박막층위에는 감지물질의 외부와의 절연을 위한 보호막이 형성되며, 도전성 와이어가 본딩되고, 또한 마이크로머시닝 기술에 의한 실리콘기판을 미세가공하며 경량, 소형, 고속응답, 대량생산 및 센서 어레이화가 용이한 마이크로 열센서용 측온저항체 온도센서를 실현할 수 있다.On the platinum thin film layer of the RTD temperature sensor of the present invention, a protective film for insulation from the outside of the sensing material is formed, conductive wires are bonded, and micro-processed silicon substrates by micromachining technology, and are light, small, high-speed response, The RTD temperature sensor for micro thermal sensors can be easily realized in mass production and sensor array.
상기 열산화막, 산화마그네슘막 및 백금 박막층은 반도체 제조공정으로 형성된다. 예컨대, 열산화막은 반도체 제조공정 중에서 열산화법으로 형성되며 산화마그네슘막과 백금 박막층은 반응성 및 마그네트론 고주파 스퍼터링으로 각각 증착하여 형성되며, 상기 열산화막, 산화마그네슘막 및 백금 박막층의 두께는 각각 1㎛ 정도이다.The thermal oxide film, the magnesium oxide film and the platinum thin film layer are formed by a semiconductor manufacturing process. For example, a thermal oxide film is formed by a thermal oxidation method in a semiconductor manufacturing process, and a magnesium oxide film and a platinum thin film layer are formed by depositing reactive and magnetron high frequency sputtering, respectively, and each of the thermal oxide film, magnesium oxide film, and platinum thin film layer has a thickness of about 1 μm. to be.
그리고, 반응성 스퍼터링으로 형성된 매개층 산화마그네슘막과 백금박막의 열처리에 따른 전기적, 물리적 특성을 4-포인트 프로브(four point probe), SEM 및 XRD로 분석하였다. 또한, 박막형 측온저항체 온도센서를 실리콘기판과 알루미나기판상에 각각 제작한 후, 온도에 따른 저항온도계수값과 저항변화율을 측정하여 비교·평가하였다.In addition, the electrical and physical properties of the intermediate layer magnesium oxide film and the platinum thin film formed by reactive sputtering were analyzed by a four-point probe, a SEM, and an XRD. In addition, after fabricating a thin film type RTD temperature sensor on a silicon substrate and an alumina substrate, the resistance temperature coefficient value and the resistance change rate according to temperature were measured and compared and evaluated.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 온도센서의 구조를 보인 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing the structure of a temperature sensor according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 실리콘기판(100)상에 열산화막(110)이 증착되고, 상기 열산화막(11) 상에 산화마그네슘막(120)이 층착되며, 상기 산화마그네슘막(120)상에백금박막층(130)이 설정된 간격으로 다수개가 형성되어 있다. 그리고 상기 백금박막층(130)상에는 도전성 와이어가 본딩되고, 감지물질의 외부와의 절연을 위한 보호막(140)이 형성되어 있다.Referring to FIG. 1, a thermal oxide film 110 is deposited on a silicon substrate 100, a magnesium oxide film 120 is deposited on the thermal oxide film 11, and platinum is deposited on the magnesium oxide film 120. A plurality of thin film layers 130 are formed at set intervals. In addition, a conductive wire is bonded on the platinum thin film layer 130, and a protective film 140 for insulating the outside of the sensing material is formed.
또한 실리콘기판(100)은 마이크로머시닝기술에 의해 미세 가공하며, 경량, 소형, 고속응답, 대량생산 및 센서 어레이화가 용이한 마이크로 열센서용 측온저항체 온도센서를 제조할 수 있으며, 상기 마이크로 열센서용 측온저항체 온도센서는 가스센서, 유량/유속센서, 진공센서, 가속도 센서 등을 포함한다.In addition, the silicon substrate 100 is finely processed by micromachining technology, and can manufacture a temperature resistance resistor temperature sensor for a micro thermal sensor that is lightweight, small size, high-speed response, mass production and easy to array the sensor, for the micro thermal sensor The RTD temperature sensor includes a gas sensor, a flow / flow sensor, a vacuum sensor, an acceleration sensor, and the like.
상기 열산화막(110), 산화마그네슘막(120) 및 백금박막층(130)은 반도체 제조공정으로 형성된다.The thermal oxide film 110, the magnesium oxide film 120, and the platinum thin film layer 130 are formed by a semiconductor manufacturing process.
예컨대, 본 발명에 사용된 실리콘기판(100)은 비저항이 약 4∼5Ω·cm, 두께 530㎛의 N형 혹은 P형으로 반도체공정의 기본 세척공정을 거치고 자연산화막을 제거시킨후, 열산화막(110)을 1㎛ 성장시킨 실리콘기판을 사용하였다. 열산화막(110)과 백금박막층(130)의 부착특성을 개선시키기 위해 산화마그네습(120) 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링으로 산화마그네슘막(120)을 1㎛ 증착시켜 매개층으로 이용하였다.For example, the silicon substrate 100 used in the present invention is a N-type or P-type resistivity of about 4 ~ 5Ω · cm, 530㎛ thickness after the basic cleaning process of the semiconductor process and remove the natural oxide film, and then the thermal oxide film ( A silicon substrate on which 110) was grown by 1 mu m was used. In order to improve the adhesion characteristics of the thermal oxide film 110 and the platinum thin film layer 130, the magnesium oxide film 120 was deposited by 1 μm by reactive sputtering using a target of the magnesium oxide 120.
온도센서 물질인 백금박막층(130)은 센서물질인 백금으로 고주파 스퍼터링법으로 1㎛ 증착시켰다. 반응성 스퍼터링으로 형성된 산화마그네슘막(120)의 열처리특성 및 백금박막층(130)에 미치는 영향은 석영관을 이용하여 질소 분위기에서 고온 열처리를 거친후 4-포인트 프로브, α-step, SEM, XRD를 이용하여 분석하였다. 하기 표 1은 산화마그네슘막(120)과 백금박막층(130)의 증착 및 열처리 조건을 나타낸 것이다.The platinum thin film layer 130, which is a temperature sensor material, was deposited with platinum, which is a sensor material, by 1 μm by high frequency sputtering. The heat treatment characteristics of the magnesium oxide film 120 formed by reactive sputtering and the effect on the platinum thin film layer 130 were analyzed by using a 4-point probe, α-step, SEM, and XRD after a high temperature heat treatment in a nitrogen atmosphere using a quartz tube. And analyzed. Table 1 shows the deposition and heat treatment conditions of the magnesium oxide film 120 and the platinum thin film layer 130.
본 발명에서 온도센서는 실리콘기판(100)을 이용하여 도 1과 같은 구조로 제작된다. 또, 열처리전 온도센서의 패턴을 사진식각공정으로 형성하고 열처리를 거친 후 특성을 분석하였다. 그리고, SOG(spin-on-glass)를 스핀 코팅(spin coating)한 후, 공기 중에서 100℃(30분), 200℃(30분), 350℃(30분), 또한, 500℃(30분)로 순차적으로 베이킹(baking)하여 감지물질의 외부와의 절연을 위한 보호막으로 이용하였으며, 실버 에폭시(silver epoxy)를 이용하여 백금와이어를 본딩하였다.In the present invention, the temperature sensor is manufactured in the structure shown in FIG. 1 using the silicon substrate 100. In addition, the pattern of the temperature sensor before the heat treatment was formed by a photolithography process and analyzed after the heat treatment. After spin coating SOG (spin-on-glass), 100 ° C (30 minutes), 200 ° C (30 minutes), 350 ° C (30 minutes), and 500 ° C (30 minutes) in air ) Was used as a protective film for insulation from the outside of the sensing material by sequentially baking (), and the platinum wire was bonded using a silver epoxy (silver epoxy).
그리고, 제작된 온도센서의 특성은 대류에 의한 영향을 최소화하기 위해 분위기 가스와 진공도의 제어가 가능한 밀폐시스템 내에서 분석하였다.In addition, the characteristics of the fabricated temperature sensor were analyzed in a closed system that can control the atmospheric gas and the degree of vacuum to minimize the effects of convection.
도 2는 본 발명의 열산화된 실리콘기판상에 증착된 산화마그네슘박막(120)의 열처리에 따른 표면 SEM사진이다. (a)는 열처리하지 않은 표면 SEM사진이고, (b)는1000℃에서 열처리한 표면 SEM사진이다.2 is a SEM image of the surface of the magnesium oxide thin film 120 deposited on the thermally oxidized silicon substrate of the present invention. (a) is the surface SEM photograph which is not heat-treated, and (b) is the surface SEM photograph which was heat-processed at 1000 degreeC.
열처리 전에는 미세패턴 형성이 용이한 비정질 형태였다. 도 2(a)와 (b)의 열처리 전과 열처리 후(1000℃, 2시간)를 각각 비교할 때, 박막 전체가 균일한 표면특성을 보이며 고온 열처리에 따른 핀홀이나 크랙이 형성되지 않았다. 따라서, 백금박막은 1000℃ 열처리 후에도 열처리 전과 같은 특성을 얻을 수 있음을 알 수 있다.Prior to heat treatment, the microstructures were easily formed in an amorphous form. When comparing before and after heat treatment (1000 ° C., 2 hours) of FIGS. 2 (a) and 2 (b), the entire thin film showed uniform surface characteristics and no pinholes or cracks were formed due to high temperature heat treatment. Therefore, it can be seen that the platinum thin film can obtain the same characteristics as before the heat treatment even after the heat treatment at 1000 ° C.
도 3은 본 발명의 산화마그네슘 박막위에 증착된 백금박막의 열처리에 따른 표면 SEM 사진이다. (a)는 열처리하지 않은 표면 SEM사진이고, (b)는 1000℃에서 열처리한 표면 SEM사진이다.3 is a surface SEM photograph according to the heat treatment of the platinum thin film deposited on the magnesium oxide thin film of the present invention. (a) is the surface SEM photograph which is not heat-treated, and (b) is the surface SEM photograph which was heat-processed at 1000 degreeC.
도 3(a)는 열처리 전의 백금박막 표면으로 미소패턴 형성에 유리한 균일한 표면특성을 보이고 있다. 그러나, 도 3(b)처럼 백금박막층(130)을 1000℃, 2시간 열처리를 행함으로써, 결정립이 형성되어 입자들의 경계가 현저하고 전기적으로 불안한 상태이며, 구조적으로 갈라진 틈 사이가 밀착됨을 알 수 있다. 백금박막층(130)은 열처리 전에는 면저항과 비저항값이 각각 0.246 Ω/□ , 24.6 μΩ·cm이고, 열처리 후에는 면저항과 비저항값은 각각 0.1288 Ω/□ , 12.88 μΩ·cm로 측정되었으며, 벌크 백금의 비저항값 10.8 μ Ω·cm에 가까워짐을 알 수 있다. 따라서, 고온 열처리를 행함으로써 물리적·전기적으로 백금박막이 크게 개선됨을 알 수 있다.FIG. 3 (a) shows uniform surface properties advantageous for forming a micropattern on the surface of the platinum thin film before heat treatment. However, by performing the heat treatment of the platinum thin film layer 130 at 1000 ° C. for 2 hours as shown in FIG. 3 (b), crystal grains are formed and the boundaries of the particles are remarkably and electrically unstable, and the gaps between structural cracks are in close contact. have. The sheet thickness and resistivity of the platinum thin film layer 130 were 0.246 Ω / □ and 24.6 μΩ · cm, respectively, before the heat treatment, and the sheet resistance and resistivity of the platinum thin film layer were 0.1288 Ω / □ and 12.88 μΩ · cm, respectively. It can be seen that the specific resistance is close to 10.8 μΩcm. Therefore, it can be seen that the platinum thin film is greatly improved by performing high temperature heat treatment.
도 4는 본 발명의 산화마그네슘 박막(120)위에 증착된 백금박막층(130)의 열처리에 따른 XRD 회절패턴 분석결과를 나타낸 것이다.Figure 4 shows the XRD diffraction pattern analysis results of the heat treatment of the platinum thin film layer 130 deposited on the magnesium oxide thin film 120 of the present invention.
백금박막층(130)의 회절패턴에서 열처리 전·후 모두 백금 피크만이 2 = 39.6° 부근에 두드러지게 나타나는 것을 알 수 있으며, 고온 열처리를 행함으로써 indensity가 더욱 증가하고 잔여피크가 크게 작아짐을 알 수 있다. 따라서, 열처리후에도 백금박막층(130)이 산화마그네슘박막(120)과 반응이 없고 백금 고유의 특성을 가짐을 알 수 있다.In the diffraction pattern of the platinum thin film layer 130, it can be seen that only the platinum peak is prominent in the vicinity of 2 = 39.6 ° before and after the heat treatment, and the indensity is further increased and the residual peak is significantly reduced by performing the high temperature heat treatment. have. Therefore, it can be seen that even after the heat treatment, the platinum thin film layer 130 does not react with the magnesium oxide thin film 120 and has unique platinum properties.
도 5는 본 발명의 산화마그네슘박막(120)상에 증착된 백금박막의 열처리 온도에 따른 비저항의 변화를 나타낸 것이다.5 shows a change in specific resistance according to the heat treatment temperature of the platinum thin film deposited on the magnesium oxide thin film 120 of the present invention.
열처리 시간은 2시간으로 고정하였으며 열처리 온도가 높아질수록 비저항값이 벌크 백금에 가까운 값을 가졌다. 1000℃ 열처리시 백금의 결정립 형성에 의해 박막 내부의 여러 구조적 결함들이 줄어 박막의 비저항 특성이 개선됨을 알 수 있다. 그러나, 1000℃ 이상 고온 열처리할 경우, 과도한 열처리에 의해 결정립의 성장에 따른 부분적인 island형성과 기판위에 박막이 없는 부분에 hole이 생성되고 조금씩 커짐으로 인하여 박막의 특성이 크게 저하되었다.The heat treatment time was fixed at 2 hours, and as the heat treatment temperature was increased, the specific resistance value was closer to bulk platinum. It can be seen that due to the crystal grain formation of platinum at 1000 ° C., various structural defects in the thin film are reduced, thereby improving the resistivity of the thin film. However, when the high temperature heat treatment above 1000 ℃, due to the excessive heat treatment, the formation of the island due to the growth of the grain and the hole is formed in the part without the thin film on the substrate, the characteristics of the thin film was greatly reduced.
도 6(a) 및(b)는 본 발명의 실시예에 따른 백금박막형 측온저항체 온도센서에 따른 저항온도계수와 저항변화율을 각각 나타낸 것이다.6 (a) and 6 (b) show the resistance temperature coefficient and the resistance change rate according to the platinum thin film type RTD temperature sensor according to the embodiment of the present invention, respectively.
실리콘기판위(100)에 산화마그네슘박막(120)을 매개층으로 그리고 실리콘기판(알루미나기판)(100)상에 각각 제작된 온도센서의 저항온도계수와 저항변화율은 다음과 같다.The resistance temperature coefficient and resistance change rate of the temperature sensor fabricated on the silicon substrate 100 on the magnesium oxide thin film 120 and on the silicon substrate (alumina substrate) 100 are as follows.
저항변화율은 질소 분위기인 전기로에서 상온에서부터 400℃까지의 온도범위에서 측정하였다. 실리콘기판(100)상에 산화마그네슘박막(120)을 매개층으로 제작된 백금박막형 측온저항체 온도센서의 특성이 실리콘기판(100)상에 제작된 박막형 온도센서와 거의 비슷한 값의 저항온도계수를 얻었다.The resistance change rate was measured in a temperature range from room temperature to 400 ° C. in an electric furnace, which is a nitrogen atmosphere. The characteristics of the platinum thin film type RTD temperature sensor fabricated using the magnesium oxide thin film 120 on the silicon substrate 100 as the intermediate layer were similar to those of the thin film type temperature sensor fabricated on the silicon substrate 100. .
도 6(a)에서 샘플 1 온도센서의 저항온도계수는 벌크 백금에 가까운 3927 ppm/℃의 평균값을 가졌다. 또한, 저항온도계수의 표준편차를 분석한 결과, 1℃당 0.7 ppm/℃로 매우 선형성이 좋은 특성을 얻었다.In FIG. 6 (a), the resistance temperature coefficient of the sample 1 temperature sensor had an average value of 3927 ppm / ° C. close to bulk platinum. In addition, as a result of analyzing the standard deviation of the temperature coefficient of resistance, very good linearity of 0.7 ppm / ℃ per 1 ℃ was obtained.
도 6(b)은 (a)의 저항온도계수를 저항변화율로 나타낸 것이다. 온도변화에 따른 저항변화율이 거의 직선에 가깝고 선형성이 양호함을 알 수 있다.6 (b) shows the resistance temperature coefficient of (a) as the resistance change rate. It can be seen that the resistance change rate due to temperature change is almost a straight line and the linearity is good.
지금까지 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며, 명세서에 기재되고 청구된 원리의 진정한 정신 및 범위 안에서 수정 및 변경할 수 있는 여러 가지 실시형태는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것임을 이해하여야 할 것이다.While the embodiments of the present invention have been described so far, the present invention is not limited thereto, and various embodiments that can be modified and changed within the true spirit and scope of the principles described and claimed in the present specification are within the protection scope of the present invention. It should be understood that it belongs.
상술한 바와 같이 본 발명은 열산화된 실리콘기판과 산화마그네슘막을 매개층으로 이용한 마이크로 열센서용 백금박막형 측온저항체 온도센서는 고온에서 센서의 특성에 영향을 미칠 수 있는 기판과 감지물질 사이의 반응을 피할 수 있고, 감지물질의 부착특성을 향상시킬 뿐아니라 특히, 마이크로머싱기술에 의한 미세가공이 용이한 실리콘기판과 화학적, 열적 안정성이 높으며 선형적 응답특성이 우수한 마이크로 열센서용 온도센서는 범용 온도센서뿐만 아니라 마이크로머시닝기술에 의한 집적화된 마이크로 열센서 개발시 온도센서와 미세 발열체로써 유용하게 사용될 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, the platinum thin film type resistance thermometer for a micro thermal sensor using a thermally oxidized silicon substrate and a magnesium oxide film as a medium layer has a reaction between a substrate and a sensing material that may affect the characteristics of the sensor at a high temperature. The temperature sensor for the micro thermal sensor, which can be avoided and improves the adhesion property of the sensing material, in particular, the silicon substrate which is easy to finely process by micromachining technology, and the chemical and thermal stability and the linear response characteristic is excellent. In addition to the sensor, when developing an integrated micro thermal sensor by micromachining technology, there is an effect that can be usefully used as a temperature sensor and a micro heating element.
또한 25~400℃의 온도범위에서 산화마그네슘막을 매개층으로 이용하여 열산화된 실리콘기판위에 제작된 백금박막형 측온저항체형 온도센서의 저항온도계수는 3927ppm/℃로 벌크 백금과 동등하며 선형성이 우수한 효과가 있다.In addition, the resistance temperature coefficient of the platinum thin film type RTD type temperature sensor fabricated on the thermally oxidized silicon substrate using a magnesium oxide film as a medium layer in the temperature range of 25 ~ 400 ℃ is 3927ppm / ℃, which is equivalent to bulk platinum and has excellent linearity. There is.
그리고 실리콘기판을 이용하고 있기 때문에 미세가공이 용이함으로 경량, 소형, 고속응답, 대량생산, 센서 어레이화가 용이한 이점이 있다.In addition, since the silicon substrate is used, there is an advantage in that light weight, small size, high speed response, mass production, and sensor array are easy due to the ease of fine processing.
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