KR100629651B1 - 크롬산화막층을 갖는 백금전극저항체 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘산화막(SiO2)이 성장된 실리콘기판(Si)과, 상기 기판의 상면에 형성된 크롬 산화막(CrOx) 및 상기 크롬산화막(CrOx) 의 상면에 형성된 백금박막으로 이루어진 저항체로 온도센서 및 발열체등의 제작에 이용할 수 있다. 또한, 본 발명은 실리콘기판위에 진공증착장비(스퍼터 장비)로 크롬(Cr)을 이용하여 아르곤(Ar)와 산소(O₂) 가스 분위기에서 크롬산화막(CrOx) 을 형성시키고, 상기 크롬산화막 위에 백금박막을 증착하는 것으로 이루어지는 실리콘산화막과 백금(Pt)전극간의 접착력 향상 방법을 제공한다.
Description
도1은 종래의 백금전극 저항체의 구조를 도시한 개략적인 종단면도
도2는 본 발명에 의한 백금전극 저항체의 구조를 도시한 개략적인 종단면도
도3a는 열처리 전의 SEM사진
도3b는 열처리 후의 SEM사진
도4는 열처리 표면 거칠기를 비교한 데이터
도5는 백금전극저항체의 열처리후의 온도에 따른 저항변화치가 표시된 그래프.
본 발명은 크롬산화막(CrOx)층을 갖는 백금전극저항체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 설명하면, 실리콘산화막이 성장된 실리콘웨이퍼 또는 유리기판과 백금전극간의 접착력을 향상시키기 위하여 부착막으로서 진공 증착 스퍼터링으로 크롬산화막(CrOx) 을 형성하여 실리콘기판상에 백금전극의 접착이 가 능하게 되어 기판표면의 균일도가 우수하여 미세공정이 유리하고 소형화 제작이 가능하여 제조가가 저렴하게 되며 다른 센서 및 신호부와 동일 기판상에서 제조가 가능한 크롬산화막(CrOx)층을 갖는 백금전극저항체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 실리콘 미세 가공기술을 이용한 소형, 경량, 저가격, 고속 응답, 집적화 및 대량생산이 가능한 멤스(MEMS, Micro Electron Mechanical System)의 연구가 가속화되고 있다. 일반적으로, 백금(Pt)박막형 측온저항체 온도센서(RTD：Resistance Thermometer Device)는 알루미나기판상에 제작되고 있다. 도1은 종래 제작되고 있는 저항체의 구조단면도이다. 실리콘기판은 기존 알루미나기판보다 기판 표면의 균일도(uniformity)가 우수하여 미세공정이 유리하다. 또한 다른 센서 및 신호부와 동일 기판상의 제작이 가능하다. 특히, 마이크로 열 센서(가스, 유량/유속, 진공 등)는 동작온도가 센서의 감도, 선택성 그리고 응답시간 등의 특성을 최적화시키는데 중요한 요소로서 작용한다. 따라서, 마이크로머시닝 기술에 의한 저전력소비, 정확한 동작온도제어, 저열적 용량, 센서 어레이화가 쉽고 높은 저항온도계수(TCR : Temperature Coefficient of Resistance) 그리고 집적화가 용이하며 온도에 따른 저항변화의 선형성이 우수한 마이크로 열센서용 온도센서와 발열체의 집적화를 요구한다.
기존의 스퍼터링법으로 실리콘산화막이 성장된 실리콘웨이퍼 위에 백금박막를 증착한 경우 접착력이 매우 낮아 쉽게 떨어져 나가는 단점이 있다. 실리콘산화막 위에 박막을 증착시킨 후 열을 가할 경우 박막과 기판사이의 열팽창 계수 차 이와 결정학적 성장 배향성이 다르기 때문에 쉽게 접착하지 못한다. 따라서 접착력을 향상시키기 위해 부착막으로 TiO₂, Ti/TiN, MgO, Al₂O₃ 등을 이용하고 있다. 그러나 금속을 이용할 경우, 백금(Pt)박막의 결정화를 위한 고온 열처리 과정에서 부착막으로 이용된 금속물질이 백금과 반응하여 백금이 갖는 고유특성을 저하시킬 뿐만 아니라 부착특성을 저하시키는 결과를 가져오게 된다. 백금은 용융점(1780℃)이 상당히 높은 물질로 백금(Pt)박막이 벌크특성을 갖기 위해서는 1000℃ 이상의 고온에서 열처리를 필요로 한다.
이처럼 고온에서 백금과 반응없이 부착특성을 개선시키기 위해서는 부착막으로 금속물질보다는 유전체 물질을 사용하는 것이 더욱 안정하다.
본 발명에서는 집적화가 용이한 실리콘기판상에 고온 열처리시 백금(Pt)박막과의반응을 피할 수 있으며 절연특성이 우수하고, 부착특성을 향상시킬 뿐만 아니라 내열성이 우수한 이온성 산화물질인 크롬 산화막(CrOx) 을 부착막으로 제공하고 상기 부착막에 형성된 백금막저항체를 제작하여 각종 센서, 예를들면, 온도센서, 가스센서, 유량센서와 같은 센서 및 발열체에 응용하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 이러한 목적은 실리콘산화막이 성장된 실리콘기판과, 상기 기판의 상면에 형성된 크롬산화막(CrOx) 및 상기 크롬산화막의 상면에 형성된 백금(Pt)박막을 포함하는 본 발명에 따른 크롬산화막층을 갖는 백금전극저항체에 의하여 달성된다.
본 발명의 이러한 목적은 실리콘기판 위에 크롬(Cr) 타겟을 이용한 진공 증착 스퍼 터링법으로 크롬산화막(CrOx) 을 형성시키는 단계, 상기 크롬산화막(CrOx) 의 절연특성을 개선하기 고온 열처리 공정을 진행시키는 단계, 상기 크롬산화막(CrOx) 위에 백금(Pt)박막을 증착하는 단계를 포함하는 본 발명에 따른 크롬산화막층을 갖는 백금전극저항체의 제조방법에 의하여 달성된다.
본 발명에 따른 크롬산화막층을 갖는 백금전극저항체 및 그 제조방법은 첨부된 도면을 참고로 하여 이하에 상세히 기술되는 실시예에 의하여 그 특징 및 장점들을 보다 명백하게 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 크롬산화막층을 갖는 백금전극저항체는, 도2에 도시된 바와 같이, 실리콘기판(100)상에 실리콘산화막(101)이 형성되고, 실리콘산화막(101)상에 크롬산화막(102)이 적층되고, 크롬산화막(102)상에 백금박막(103)이 적층된 구조이다. 본 실시예에서는 실리콘기판(100)상에 열산화막을 성장시켜 실리콘산화막(101)을 형성한 후 사용하였다. 상기 실시예에서 실리콘기판이 사용되었으나 이에 제한되는 것은 아니고 유리기판이 사용될 수 있음은 물론이다. 실리콘기판(100)상에 백금(Pt)박막 증착시 실리콘산화막과 백금(Pt)박막과의 부착특성을 개선시키기 위해 크롬(Cr) 타겟을 이용한 진공 증착 스퍼터링법으로 아르곤(Ar)와 산소(O₂) 일정비를 갖는 가스 분위기에서 크롬산화막(CrOx) 을 형성시킨다. 상기 아르곤(Ar)와 가스의 혼합비는 아르곤(Ar) 60~95부피%: 산소 40~5부피%가 바람직하다. 형성된 크롬산화막(CrOx) 의 안정화를 위해 전기로를 이용하여 공기중 일정사용 온도(제작될 소자의 사용 온도인 약 300~1000℃보다 10%이상 높은 온도인 350~1100℃)에서 산화 안정화 열처리 공정을 행한다.
이렇게 형성된 크롬산화막(CrOx) 의 특성을 살펴 보면 다음과 같다.
1. 크롬산화막(CrOx) 증착 및 산화 안정화 열처리 공정을 통해 완전한 절연특성을 갖는다. 또한 고온 열처리(1000℃) 후에도 절연특성 및 표면 균일 특성의 변화가 없다. 도면3은 1700Å 증착된 크롬산화막(CrOx) 의 열처리 전,후의 표면 SEM사진이다. 도면3a는 열처리 전의 사진이고 도면3b는 1000℃, 240min 동안 열처리한 후의 사진이다. 도면3에서 처럼 열처리 전,후 표면 상태가 크게 변함이 없음을 알 수 있다. 본 실시예에서는 증착된 크롬산화막이 1700Å두께에서 240min 동안 안정화 열처리공정을 수행하였으나 이러한 열처리조건은 크롬산화막의 두께에 따라 달라질 수 있으나 안정화 열처리시간은 막의 두께에 따라 60min∼240min이 바람직하다.
2. 실리콘산화막(SiO₂) 와 백금(Pt)박막 사이의 부착 특성을 개선시키며 고온 열처리 (1000℃) 공정 후에도 그 특성을 유지한다. 도면 4는 열처리 (1000℃, 240min)전,후의 표면 거칠기를 비교한 테이터이다. 도면4에서 (A)는 크롬산화막(CrOx) 를 증착하기 전 SiO₂/Si 의 표면 거칠기를 분석한 것이다. 각 샘프의 조도는 도면 4의 (A), (B) 그리고 (C)에서 각각 9.2Å, 12.3Å그리고 14.1Å로 분석되었다. 증착된 크롬산화막(CrOx) 의 조도가 SiO₂/Si 기판의 표면 조도를 그대로 유지하고 있음을 알 수 있으며, 그 특성이 고온 열처리 후에도 크게 변함이 없음을 알 수 있다.
3. 고온 열처리 공정 후, 크롬산화막(CrOx) 을 완충막으로 이용하여 제작된 백금(Pt)박막 소자는 크롬산화막의 어떤 영향(화학적 반응)도 없이 백금의 고유특성(고유저항, TCR등)을 유지한다. 도 5는 크롬산화막CrOx) 를 완충막으로 이용하여 CrOx/SiO₂/Si 기판에 증착된 백금박막을 이용하여 제작된 저항체를 고온 열처리 (1000℃, 240min)후, 온도에 따른 저항 변화를 분석한 데이터이다. 온도에 따라 선형적으로 변화함을 알 수 있으며, 0℃~100℃의 TCR(temperature coefficient of resistance)를 분석한 결과 3848ppm/℃로서 국제 DIN 60751 규격에 적합한 값을 얻을 수 있었다.
본 발명에서는 진공 증착 스퍼터링법으로 증착된 부착막 크롬산화막(CrOx) 은 백금과 화학적 반응 없이 백금의 실리콘산화막(SiO₂) 에 대한 부착특성을 개선시켰으며, 1000℃ 이상의 고온 열처리에서도 완벽한 절연특성을 보였다. 또한, 크롬산화막을 부착막으로 이용하여 제작된 백금전극저항체는 1000℃ 이상의 고온열처리가 가능하였으며 열처리에 따른 백금박막의 전기적/물리적 특성이 안정화되어 온도에 따른 저항변화특성이 선형적이었으며 백금의 고유특성에 가까운 TCR값을 나타내었다.
따라서 실리콘기판상에 크롬산화막(CrOx)을 부착막으로 이용한 구조는 백금박막형 온도센서뿐만 아니라 마이크로 열형센서 개발시 백금박막을 이용한 온도센서 및 발열체의 집적화 제작에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
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- 산화막이 성장된 실리콘기판 위에 크롬(Cr) 타겟을 이용한 진공 증착 스퍼 터링법으로 반응 가스는 아르곤(Ar)60~95부피%와 산소(O₂)40~5부피%가 혼합된 반응 가스를 사용하며, 500~3000Å 두께의 크롬산화막(CrOx) 을 형성시키는 단계, 상기 크롬산화막(CrOx) 의 절연특성을 개선하고 증착된 크롬산화막(CrOx) 내의 크롬(Cr)과 산소(O₂) 의 반응을 안정화시키고 절연 특성개선을 위한 열처리 조건은 350∼1100℃, 60∼240min으로 고온 열처리 공정을 진행시키는 단계, 상기 크롬산화막(CrOx) 위에 백금(Pt)박막을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 크롬산화막층을 갖는 백금전극저항체의 제조방법
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| KR (1) | KR100629651B1 (ko) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102170210B1 (ko) * | 2018-12-20 | 2020-10-28 | 세종공업 주식회사 | 백금 검지체 센서의 고온 환경 안정화 공정 방법 |
-
2004
- 2004-09-20 KR KR1020040074926A patent/KR100629651B1/ko not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 1020010095800 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20060026149A (ko) | 2006-03-23 |
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