KR101382629B1 - 3Ｃ―ＳｉＣ를 이용한 히터 및 그 제작 방법 - Google Patents

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Abstract

3C-SiC를 이용하는 히터 제작 방법이 개시된다. 히터 제작 방법은, 기판 상에 산화막을 형성하는 단계, 산화막 상에 제1 3C-SiC(Cubic Silicon Carbide) 박막을 형성하는 단계, 제1 3C-SiC 박막 상에 절연층을 형성하고 소정 형태로 패터닝하여, 제1 지지영역 및 제2 지지영역으로 구분되는 지지부를 형성하는 단계 및, 지지부 상에 제2 3C-SiC 박막을 형성하고 소정 형태로 패터닝하여, 제1 지지영역 상의 패드부 및 상기 제2 지지영역 상의 히팅부를 제작하는 단계를 포함한다. 이에 따라 성능이 우수한 히터를 제공할 수 있게 된다.
3C-SiC, 히터

Description

3Ｃ―ＳｉＣ를 이용한 히터 및 그 제작 방법{Heater using 3C-SiC and its fabricating method}
본 발명은 히터 및 그 제작 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다결정 3C-SiC를 기반으로 하는 히터 및 그 제작 방법에 관한 것이다.
마이크로 히터는 열저항 물질을 평면 실리콘 기판 상에 증착하여 히터 배선을 만들고 여기에 전류를 흘려줌으로써 열을 발생시키는 원리를 이용한다.
마이크로 히터는 가스센서, 유량센서, 열진공센서, 열에 의해 동작하는 캔틸레버형 팁을 이용한 데이터 저장 장치와 나노 딥펜 리소그라피(nano dip-pen lithofgraphy), 열량 측정기 등에 이용되며, 이에 대한 많은 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.
한편, 지금까지 SOI, poly-Si, SiO2 또는 Si3N4와 같은 물질로 된 멤브레인 위에 마이크로 Pt 히터를 제작하고, 낮은 소비전력으로 높은 온도를 발열시키는 것에 중점을 두어 연구가 이루어졌다.
하지만, 800℃이상의 고온에서 안정적이고, 고전압에 대한 내구성이 우수한 히터의 연구는 활발히 이루어지지 않고 있다는 문제점이 있었다.
본 발명은 3C-SiC를 이용한 히터 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 히터 제작 방법은, 기판 상에 산화막을 형성하는 단계, 상기 산화막 상에 제1 3C-SiC(Cubic Silicon Carbide) 박막을 형성하는 단계, 상기 제1 3C-SiC 박막 상에 절연층을 형성하고 소정 형태로 패터닝하여, 제1 지지영역 및 제2 지지영역으로 구분되는 지지부를 형성하는 단계 및, 상기 지지부 상에 제2 3C-SiC 박막을 형성하고 소정 형태로 패터닝하여, 상기 제1 지지영역 상의 패드부 및 상기 제2 지지영역 상의 히팅부를 제작하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 히팅부 및 상기 패드부 하측에 위치한 산화막의 적어도 일부를 식각하여 공동부를 마련하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 절연층은 AlN(Aluminum Nitride)로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 지지부 및 히팅부를 형성하는 패터닝 단계는, Al(Aluminum)을 식각 마스크로 이용할 수 있다.
또한, 상기 패드부 및 히팅부를 제작하는 단계는, 상기 제2 3C-SiC 박막을 패터닝하여 상기 패드부 및 상기 히팅부와 함께 온도 센서를 제작하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 온도 센서는, 박막형 RTD(Resistance of temperature detector)가 될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 히터는, 기판, 상기 기판 상에서 제1 지지영역 및 제2 지지영역으로 구분되어 형성되며, 제1 3C-SiC 박막으로 이루어진 지지부, 상기 기판 상부의 일 영역 상에 형성되는 공동부 및 상기 제1 지지영역 상에 형성되며, 제2 3C-SiC 박막으로 이루어진 히팅부를 포함한다.
또한, 상기 제2 지지영역 상에 형성되며, 상기 제2 3C-SiC로 이루어진 패드부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 지지부는, 상기 기판 상에 형성된 제1 3C-SiC 박막 및 상기 제1 3C-SiC 박막 상에 형성된 절연층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 히팅부와 동일한 층 상에 마련되며, 상기 제2 3C-SiC 박막으로 이루어진 박막형 RTD(Resistance of temperature detector)를 더 포함할 수 있다.
이에 따라, 고온에서 안정적이고 고전압에 대한 내구성이 우수한 히터를 제공할 수 있게 된다.
이하에서, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 자세하게 설명한다.
도면을 설명하기에 앞서 본 발명에 이용되는 3C-SiC의 특성에 대해 설명하도록 한다.
3C-SiC(Cubic Silicon Carbide)는 높은 열전도도, 높은 항복전계, 높은 전자포화 속도, 낮은 열팽창계수, 우수한 기계적 강도 및 화학적 안정성으로 인해 극한 환경용 M/NEMS(Micro/Nano electro mechanical system) 소자의 재료로 적합하다. 더구나, 표 1에서 나타낸 바와 같이 다이아몬드를 제외한 물질 중에서 SiC의 (E/ρ)1/2가 다른 물질에 비해서 높은 값을 가지므로 3C-SiC는 산화막, 질화막 등을 희생층으로 하는 표면 미세가공이 적용이 쉽기 때문에 M/NEMS형 구조 제작에 용이한 장점을 지닌다.
ρ
[kg/m3]		 E
[GPa]
Si 2300 190
SiNx 3440 250
AIN 3230 345
3C-SiC 3200 448
Diamond 3500 1200
또한, 다결정 3C-SiC는 에너지 밴드갭이 크고 열팽창 계수가 낮아 고온에서도 변화가 거의 없으므로 고온에서 동작하는 센서에 적합하다.
또한, 다결정 3C-SiC는 비저항의 범위가 넓고, 기계적, 화학적 특성이 우수하여 고전압에서 사용되는 센서에 적용이 가능하다는 장점이 있다.
따라서, 본 발명에서는 다결정 3C-SiC을 이용하여 마이크로 히터를 제작하는 방법을 제안하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 히터의 구조를 나타내는 수직 단면도이다.
도 1에 따르면, 본 마이크로 히터(100)는 기판(110), 지지부(A), 히팅부(B), 패드부(C) 및 공동부(D)을 포함한다.
기판(110)으로는 통상적으로 실리콘(Si) 기판을 이용할 수 있지만, 경우에 따라서는 고저항 실리콘 기판(HRS)을 이용할 수 있다. 기타, 유리 재질을 이용하는 것도 가능하다.
기판(110) 상의 일 영역에는 지지부(A)가 형성된다.
지지부(A)는 기판(110) 상에 고정된 양측의 제1 지지영역(A1) 및 제1 지지영역(A1)의 양단으로부터 중공 상태로 지지받는 제2 지지영역(A2)을 포함한다. 여기서, 지지부(A)는 3C-SiC로 형성될 수 있으며, 구체적으로는 다결정 3C-SiC로 형성될 수 있다.
여기서, 지지부(A)는 절연층(140)을 포함하는 형태가 될 수 있다.
절연층(140)은 실리콘과 감지 물질 사이의 반응을 막아주고, 히터 물질에서 실리콘으로의 누설 전류를 막는 역할을 한다. 절연층(140)으로는 녹는점이 높고 밴드갭이 큰 AlN(Aluminum Nitride)이 이용될 수 있다. 또한, AlN은 다결정 3C-SiC와 격자부정합의 차이가 1% 밖에 나지 않기 때문에 고온에서 발생 가능한 스트레스를 크게 줄일 수 있으며, 마이크로머시닝 기술을 위한 미소패턴 형성이 용이하여 마이크로 히터 구조 제작에 적합하다.
한편, 제1 지지영역(A1)으로 양단이 고정되는 중심부의 브리지 영역에는 히팅부(B)가 형성된다. 즉, 히팅부(B)는 제2 지지영역(A2)을 구성하는 절연층(140) 상에 형성된다.
히팅부(B)는 전압 인가에 의해 발열 및/또는 발광하는 역할을 한다.
히팅부(B)의 배선은 미앤더(meander) 형상이 될 수 있지만, 경우에 따라서는 그리드(grid) 형상으로 형성될 수도 있다.
패드부(C)는 제1 지지영역(A1)을 구성하는 절연층(140) 상에 형성된다. 패드부(C)는 외부에서 인가된 전압을 히팅부(B)로 인가하기 위한 역할을 한다.
여기서, 히팅부(B) 및 패드부(C)는 3C-SiC 또는 다결정 3C-SiC막을 이용하여 형성될 수 있다.
기판(110) 상부 표면의 중심부에는 공동부(또는 에어갭)(C)이 형성된다. 공동부(C)는 제1 지지영역(A1) 및 제2 지지영역(A2) 하부의 적어도 일 부분이 식각된 형태로 형성될 수 있다. 여기서, 공동부(C)는 진공 상태로 발열 효율을 향상시킬 수 있다.
제1 지지영역(A1)은 기판(110)의 일 측에 고정되며, 히팅부(B)가 공동부(C) 상층에서 제2 지지영역(A2)를 기반으로 부유하도록 지지하는 역할을 한다. 즉, 제1 지지영역(A1)은 기판(110)의 양 측 및 히팅부(B) 및 패드부(C)사이를 연결하도록 형성될 수 있다.
한편, 본 실시 예에서는 브리지 형태의 히터에 대해 설명하였지만, 3C-SiC 또는 다결정 3C-SiC를 이용하여 캔틸레버 형태의 히터를 제조하는 것도 가능하다.
한편, 본 발명에 따른 마이크로 히터(100)는 온도센서를 포함할 수 있다. 여기서, 온도 센서는 SiC-박막형 RTD(Resistance of temperature detector)가 될 수 있다. 또한, 박막형-RTD는 히팅부(B)와 동일한 재질(예를 들어, 다결정 3C-SiC)로 동일한 층 내에 형성될 수 있다.
도 2a 내지 도 2j는 도 1에 도시된 마이크로 히터의 단계별 제조 공정을 나타낸다.
도 2a에 따르면, 우선 기판(210)을 마련한다. 기판(210)은 예를 들어 약 400~600μm의 두께로 형성될 수 있다. 여기서, 기판(210)으로는 통상의 실리콘(Si) 기판을 이용할 수 있지만, 경우에 따라서는 고저항 실리콘 기판(HRS)을 이용할 수 있다. 기타, 유리 재질의 기판을 이용하는 것도 가능하다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 Si 기판을 이용하는 경우를 상정하여 설명하도록 한다.
도 2b에 따르면, 기판(210)의 양측 표면에 산화막(SiO2)(221, 222)을 성장시킨다.
여기서, 산화막(221, 222)은 기판(210)과 3C-SiC 박막(231)을 절연시키고, 3C-SiC 박막(231)의 증착을 용이하게 하기 위한 것이다.
Si 기판(210) 상에 산화막(221, 222)을 성장시키는 단계에는, 습식 열산화 공정이 이용될 수 있다. 여기서, 습식 열산화 공정은 H2O를 이용하여 Si 기판을 열산화(Si + 2H2O → SiO2 + 2H2 )하게 된다. 또는 경우에 따라서는 건식 열산화 공정(Si + O2 → SiO2)이 이용되는 것도 가능하다.
한편, SiO2 막(221, 222)은 예를 들어, 약 0.3μm ~1μm의 두께로 형성될 수 있으나, 이는 일 실시 예에 불과하며, SiO2 막(221, 222)의 두께는 이에 한정되지 않는다.
도 2c에 따르면, 기판(210) 상부 표면에 형성된 산화막(221)의 일 영역을 제거한 후, 산화막(221)이 제거된 기판(210) 상부 및 남아있는 산화막(221) 상에 제1 3C-SiC 박막(231)을 성장시킨다. 여기서, 3C-SiC 박막(231)은 다결정 3C-SiC 박막이 될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 다결정 3C-SiC 박막인 경우로 상정하여 설명하도록 한다.
산화막(221) 상에 제1 다결정 3C-SiC 박막(231)을 성장시키는 단계에서는, 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD)이 이용될 수 있다. 구체적으로, 상압 화학 기상 증착법(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition; APCVD)이 이용될 수 있다.
구체적으로, 산화막이 형성된 Si 기판(SiO2/Si) 위에 기설정된 증착 온도 하에서 일정 두께의 다결정 3C-SiC 박막을 APCVD 법으로 증착시킬 수 있다. 예를 들어, 단일 전구체인 HMDS(Si2(CH3)6)), Ar, H2 가스 등을 주입하여 3C-SiC를 성장시킬 수 있다.여기서, 3C-SiC 박막은 예를 들어, 약 0.9㎛ ~ 1.2㎛두께로 형성할 수 있으나, 이는 일 실시 예에 불과하며, 다결정 3C-SiC 박막(231)의 두께는 이에 한정되지 않는다.
이후, 제1 다결정 3C-SiC 박막(231) 상에 절연층(240)을 증착한다. 절연층(240)은 Si(실리콘)와 감지 물질 사이의 반응을 막아주고, 히터 물질에서 실리콘으로의 누설 전류를 막는 역할을 한다. 절연층(240)으로는 녹는점이 높고 밴드갭이 큰 AlN이 이용될 수 있다. 여기서, 절연층(240)은 약 0.05㎛ ~ 0.5㎛ 두께로 형성될 수 있으나, 이는 일 실시 예에 불과하며, 절연층(240)의 두께는 이에 한정되지 않는다.
AlN 층(240)은 RF 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 증착될 수 있다.
또한, 절연층(240)으로 이용되는 AlN의 특성 향상과 식각을 막기 위해 Ar 분위기(Ar atmosphere)에서 열처리할 수 있다. 예를 들어, 약 800~1000 ℃에서 열처리할 수 있다.
도 2d에 따르면, 절연층(240) 상에 식각 마스크(250)를 증착하고 기설정된 패턴으로 패터닝한다. 여기서, 식각 마스크로는 Al 박막이 이용될 수 있다.
이 경우, 일 실시 예에 의하면 식각 공정으로 리프트 오프(Lift off) 공정을 수행할 수 있다. 즉, 다결정 3C-SiC 박막(231) 및 절연층(240) 상에 사진 식각 공정(PR lithography)를 이용하여 PR 패턴을 형성한 후, RF 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 Al 박막(250) 증착시킬 수 있다. 이 경우, PR 패턴은 역 테이퍼(reverse taper)의 형태로 형성할 수 있다. 이에 따라 Al 박막(250)은 PR Pattern과는 정반대의 형태로 증착될 수 있다. 상술한 바와 같이, 리프트 오프 공정을 이용하게 되면, 감광성 재료가 아닌 경우에도 원하는 패턴으로 형성할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 다른 실시 예에 의하면, 제1 다결정 3C-SiC 박막(231) 및 절연층(240) 상에 Al 박막(250)을 증착(마그네트론 스퍼터링법을 이용)하고, 사진 감광제를 이용하여 알루미늄 막을 기설정된 패턴으로 형성할 수 있다.
구체적으로, 식각 마스크로는 SiC와 10 정도의 선택비를 가지는 알루미늄과 사진 감광제를 함께 사용할 수 있다. 먼저, 3C-SiC 박막(231) 및 절연층(240) 상에 RE 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 Al 박막(250)을 약 5000 Å로 증착하고, 그 위에 사진 감광제로 패턴을 형성하여 하드베이킹 처리를 한다. 여기서, RE 마그네트론 스퍼터링을 위해 예를 들어, 40 kHz 펄스 직류 마그네트론 반응성 스퍼터링 장비를 이용할 수 있다.
한편, 하드 베이킹(Hard baking) 처리를 함으로써 에칭 공정에서 충분한 열 저항성을 가지게 할 수 있다. 하드베이킹 수행이 완료되면 원하는 패턴 형상만을 남겨 놓기 위한 식각을 통해 패턴을 형성하는데, 식각 마스크 상에 반응성 가스인 혼합 가스를 주입한 후, RF 마그네트론(Magnetron) 반응성 이온 식각(Reactive ion etching : RIE)을 이용하여 건식 습각을 수행할 수 있다. 이 때, 혼합가스로는 트리 폴로로 메탄(CHF3), 아르곤(Ar), 및 산소(O2)의 혼합 가스를 이용할 수 있다. 이 경우, 소정 범위에서 가스 유량, 고주파 전력(RF power), 챔프 압력, 및 전극 간격을 조절하여 식각속도 및 표면 평탄도를 조절할 수 있다.
또 다른 실시 예에 의하면, 원하는 패턴만 남겨 놓기 위해 Al 박막(250)을 습식 식각할 수 있다. 여기서, 습식 식각(Wet etching)이란, 목표 금속만을 부식 용해하는 성질을 가지는 액체의 약품을 사용하는 에칭 방법이다. 습식 식각의 처리 방법으로는 에칭액을 채운 용기 내에서 침식하는 딥식, 처리 대상에 스프레이식으로 약품을 내뿜는 스프레이식, 스피너로 불리는 회전대에 기판을 달고 약품을 적시는 스핀식 등을 이용할 수 있다.
한편, 본 실시 예에서는 Al 박막(250)을 식각 마스크로 이용하는 것으로 설명하였지만, 이는 일 실시 예에 불과하며, Ni(니켈) 박막 등 다른 금속 박막을 식각 마스크로 이용하는 것도 가능하다.
도 2e에 따르면, 제1 다결정 3C-SiC 박막(231) 및 절연층(240)을 Al 박막(250)의 패턴에 따라 식각하여 제1 지지영역 및 제2 지지영역으로 구분되는 지지부(도 1의 D)를 형성한다. 이 경우, 반응성 가스인 혼합가스의 주입을 통한 RF 마그네트론 반응성 이온 식각(RIE:Reactive Ion Etching)을 이용할 수 있다. 여기서, 혼합가스는, 트리 폴로로 메탄(CHF3), 아르곤(Ar) 및 산소(O2) 중 적어도 두 개의 혼합가스가 될 수 있다.
도 2f에 따르면, 다결정 3C-SiC 박막(231)의 패터닝이 완료되면, Al 식각 용액을 이용하여 남아 있는 Al 박막(250)을 제거한다.
도 2g에 따르면, 제1 다결정 3C-SiC 박막(231) 및 절연층(240)이 식각되어 노출된 산화막(221)의 일 영역 및 절연층(240) 상에 제2 다결정 3C-SiC 박막(232)을 증착한다. 여기서, 제2 다결정 3C-SiC 박막(232)을 증착에는 제1 다결정 3C-SiC 박막(231)과 동일하게 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD)이 이용될 수 있다. 구체적으로, 상압 화학 기상 증착법(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition; APCVD)이 이용될 수 있다.
도 2h에 따르면, 제2 다결정 3C-SiC 박막(232) 상에 식각 마스크(260)를 증착하고 패터닝하여 히팅부(도 1의 B)의 배선을 형성한다. 또한, 식각 마스크(260)를 이용하여 산화막(221) 상부에 증착된 제2 다결정 3C-SiC 박막(232)을 제거한다. 여기서, 식각 마스크(260)로는 Al 박막이 이용될 수 있다. Al 박막을 식각 마스크(260)로 이용하는 방법에 대해서는 상술하였으므로 자세한 설명은 생략하도록 한다.
도 2i에 따르면, 제2 다결정 3C-SiC 박막(232)의 패터닝이 완료되면, Al 식각 용액을 이용하여 남아 있는 Al 박막(140)을 제거한다.
도 2j에 따르면, 제2 지지영역을 구성하는 제1 다결정 3C-SiC 박막(231)을 릴리즈시키기 위하여 버퍼 산화물 식각용 화학용액(BOE:Buffered Oxide Etch)을 이용하여 다결정 3C-SiC 박막(231) 하부의 산화막(221)을 제거하여 에어갭(도 1의 D)을 마련한다. 또한, 기판(210) 하부 표면에 형성된 산화막(222)도 제거한다.
한편, 3C-SiC 박막 공정의 편리성과 정확한 온도 측정을 위해서 히팅 물질과 온도센서(미도시)는 제2 다결정 3C-SiC 박막(232)를 이용하여 같은 층 상에 형성될 수 있다. 여기서 온도 센서는 예를 들어 박막형 RTD(Resistance of temperature detector)가 될 수 있다.
이상의 단계를 거치고 나면, 도 1에 도시된 형태의 마이크로 히터가 최종적으로 제조된다.
한편, 상술한 실시 예에서는 기판(210)의 상하부 표면에 산화막(SiO2)(221, 222)을 성장시키는 것으로 하였으나, 경우에 따라서는 기판(210)의 상부 표면에만 산화막(221)을 성장시키는 것도 가능하다.
또한, 상술한 실시 예에서 제시된 수치는 일 실시 예에 불과하며, 각 구성요소에 대한 수치는 이에 한정되지 않는다. 또한, 본 실시 예에 따른 히팅 배선의 모양 및 배치는 일 실시 예에 불과하며, 히팅 배선의 모양 및 배치는 다양하게 변경가능하다.
또한, 상술한 제작 순서 또한 일 실시 예에 불과하며, 각 단계의 순서는 변경될 수 있으며, 경우에 따라서는 일부 단계가 추가 또는 생략될 수 있다.
한편, 캔틸레버형 히터의 경우도 도 2a 내지 2j에 도시된 공정과 유사한 공정으로 제조될 수 있으므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.
도 3a는 본 발명의 일 실시 예에 따라 다결정 3C-SiC 박막을 성장시키는데 이용되는 APCVD 장치를 간략하게 보인 예시도이다.
도 3a에 따르면, APCVD 장치는 그라파이트 서스셉터(graphite susceptor), 석영 보트(quartz boat), RF 코일 등을 포함할 수 있다.
도 3a에 도시된 APCVD 장치를 이용하여 도 2c에 도시된 다결정 3C-SiC 박막(231)을 성장시키는 과정을 간략히 설명하면, 우선, 산화막(221)이 형성된 Si 기판(210)을 그라파이트 서스셉터(graphite susceptor) 위에 놓고 RF 코일의 중앙 위치에 놓는다.
또한, 반응관의 초기화를 위한 저진공을 잡아주고 Ar과 H2를 상압이 될 때까지 불어넣는 Ar 퍼징 사이클(purging cycle)을 수회 수행한다.
이 후, 그라파이트 서스셉터의 온도를 올리면서 전구체 HDMS를 주입하고, 성장온도까지의 ramping up time을 적절히 조정할 수 있다.
도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따라 3C-SiC 박막을 식각하는데 이용되는 마그네트론 RIE 장치를 간략하게 보인 예시도이다.
도 3b에 도시된 같이, 마그네트론 RIE 장치(300)는 챔버(310) 내에 마주보는 형태로 평행하게 배치된 접지 전극(grounded electrode)(320)과 파워 전극(power elecrode)(330)을 포함할 수 있다. 여기서, 챔버(310), 접지 전극(320)과 파워 전극(330)은 산화 피막이 도포된 알루미늄(Al)으로 만들어질 수 있다.
평행하게 배치된 접지 전극(320)과 파워 전극(330)에 고주파 발생기(350)로부터 고주파가 가해지며, 반응성 가스는 MFC(Mass Flow Control)(미도시)에 의해 제어되어 접지 전극(320)을 통해 공급될 수 있다. 여기서, 이용되는 고주파는 약 13.56 MHz 정도가 될 수 있다.
또한, 로타리 펌프(340)를 통해 배기가 이루어지게 된다.
한편, 웨이퍼가 한 장씩 처리될 수 있도록 설계된 평행 전극(320, 330)에 13.56 MHz의 RF 고주파가 가해지면, 평행 전극(320, 330) 간에 강한 전기장이 발생하고 이온들이 하부전극으로 가속된다. 이 때, 자석이 적용된 자기장을 더 추가하여 플라즈마 밀도를 높일 수 있다.
또한, 다결정 3C-SiC 박막을 식각할 때, 산소 주입량, 고주파 전력, 챔프 압력 및 전극 간격 중 적어도 하나를 조절하여 식각할 수 있다.
도 4는 도 2a 내지 도 2j에 따른 공정으로 제조된 3C-SiC 마이크로 히터의 FE-SEM 사진이다.
도 4에 따르면, 본 발명에 따른 3C-SiC 마이크로 히터는 네 모서리 부분이 고정된 브리지 형태임을 확인할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 히터의 성능을 설명하기 위한 도면들이다.
도 5a는 구체적으로, 본 발명에 따른 3C-SiC 마이크로 히터에 내장된 3C-SiC 박막형 RTD의 온도에 따른 저항의 변화를 나타낸다.
본 발명에 따른 3C-SiC 마이크로 히터에 내장된 RTD에 핫 플레이트로 열을 가해주면서 KEITHLEY 4200-SCS로 전류-전압 특성을 측정하고, 저항의 변화를 계산하였다.
도 5a에 따르면, 3C-SiC는 제작 공정시 도핑량이 증가함에 따라 온도저항계수(TCR)의 변화량이 감소한다. 구체적으로, 본 발명에 따른 3C-SiC 박막은 상온에서 6.2 ㏀이었으며, 온도가 증가함에 따라 저항이 감소하여 500℃에서는 3.15 ㏀이었다. 이는 기존의 3C-SiC RTD 범위보다 TCR의 변화량이 적으므로 보다 넓은 온도 범위에서 온도 측정이 가능하다. 온도에 다른 저항의 변화를 2차 퇴행 방정식을 이용하여 계산하면 다음과 같은 수학식 1로 표현할 수 있다.
Figure 112009054637042-pat00001
Figure 112009054637042-pat00002
Figure 112009054637042-pat00003
Figure 112009054637042-pat00004
여기서, T는 섭씨 온도이고, NTC(Negative Temperature Coefficient) 근사식 으로 표현했을 경우, 아래와 같이 수학식 2로 표현할 수 있다.
Figure 112009054637042-pat00005
Figure 112009054637042-pat00006
도 5b는 구체적으로, 본 발명에 따른 마이크로 히터에 내장된 3C-SiC 박막형 RTD의 온도에 따른 TCR 변화를 나타내는 도면이다.
여기서, TCR(Temperature Coefficient of Resistance)이란 저항의 온도계수를 ppm/℃ 의 단위로 나타낸 것을 의미한다.
TCR은 아래와 같이 수학식 3을 통해 계산할 수 있다.
Figure 112009054637042-pat00007
여기서, T0는 25℃이고, R0는 25℃에서의 저항값이다.
상온에서 TCR은 약 -5200ppm/℃로 나타났으며, 온도가 증가함에 따라 TCR이 증가하여 500℃에서는 -1040ppm/℃임을 확인하였다. 결정 계면 안의 댕글링 본드(dangling bonds)와 결함(defects)에 의한 캐리어의 포획으로 인한 경계 계면에 있는 에너지 변화로 TCR이 음의 값을 갖는다. 이 현상은 다결정 Si의 경우와 흡사 하다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3C-SiC 마이크로 히터의 온도 변화를 나타내는 도면이다.
구체적으로, 본 발명에 따른 마이크로 히터에 인가되는 전압을 증가시키면서 RTD의 저항을 KEITHLEY 4200-SCS로 측정하여 온도를 역으로 구하였다.
도 6에 따르면, 인가전압이 6V일 때 제작된 RTD의 저항이 3.15㏀으로 발열온도는 500℃였다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3C-SiC 마이크로 히터의 소비전력에 따른 온도 변화를 나타내는 도면이다.
구체적으로, 도 7에서는 본 발명에 따른 마이크로 히터에 인가된 전압과 디지털 멀티미디어로 측정된 전류를 이용하여 소비전력을 구하였다.
도 7에 따르면 마이크로 브리지 구조로 제작하여 Si 기판으로의 전도에 의한 열손실을 최소화하여 비교적 낮은 소비전력에서도 높은 온도를 발생하는 것을 알 수 있었다. 구체적으로, 본 발명에 따른 3C-SiC 마이크로 히터는 500℃의 온도에서 10.3㎽의 소비전력을 나타내었다. 종래에 일반적으로 사용되고 있는 Pt 히터보다 적은 소비전력에도 비슷한 온도를 발열하는 특성을 확인할 수 있었다.
도 8은 종래의 Pt 마이크로 히터 및 본 발명에 따른 3C-SiC 마이크로 히터의 전압 변화에 따른 저항의 변화를 나타내는 도면이다.
도 8에 따르면 종래의 Pt 마이크로 히터는 약 15V 까지는 정상적으로 동작하다가 그 이상에서는 깨지는 현상이 나타났다. 하지만, 본 발명에 따른 3C-SiC 마이 크로 히터는 약 30V 까지는 정상적으로 작동하였다. 이를 통해 3C-SiC 마이크로 히터가 종래의 Pt 마이크로 히터에 비해 고전압에서 내구성이 우수함을 확인할 수 있었다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명에 따른 3C-SiC 마이크로 히터의 온도 분포와 발열 온도를 설명하기 위한 도면들이다.
도 9a는 본 발명에 따른 3C-SiC 마이크로 히터에 약 10㎽의 전력을 인가하였을 경우, 온도 분포와 발열 온도에 관한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 9a에 따르면, 10㎽의 소비전력에서 최대, 최소 온도값이 564.113℃, 563.779℃로 실제 제작된 3C-SiC 마이크로 히터 결과보다 0.3㎽ 낮은 소비전력에서 약 60℃ 이상 높게 발열하였다. 이는 시뮬레이션의 경우 멤브레인을 지탱하는 브릿지 구조, 패드와 팁 간의 접촉저항 등을 무시했기 때문이다.
도 9b는 본 발명에 따른 3C-SiC 마이크로 히터에 약 10㎽의 전력을 인가하였을 경우, 온도 분포를 적외선 열화상 카메라로 측정한 결과를 나타낸다.
도 9b에 따르면, 멤브레인 영역에서 온도 분포가 매우 균일함을 확인할 수 있고, 제작된 3C-SiC 마이크로 히터의 전체적인 온도 분포를 확인할 수 있다.
도 9b에 따른 적외선 열화상 이미지에 따르면, 같은 소비 전력에서 RTD로 측정한 경우보다 낮은 온도가 측정되었는데, 이는 멤브레인 전체 영역의 평균적인 온도를 감지하였기 때문에 온도가 비교적 낮게 측정됨을 알 수 있다. 또한, 열전도도가 커서 전력소모는 비교적 크나, 저항 패턴에서 발생하는 온도 분포가 매우 균일함을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에서는 균일한 온도 분포를 갖는 AlN/3C-SiC 멤브레인 위에 히터 물질과 RTD로 사용될 다결정 3C-SiC를 APCVD로 증착하여 마이크로 히터와 RTD를 각각 제작하여 TCR, 히터의 발열특성, 소비전력, 고전압에서의 내구성 그리고 온도 분포 특성 등을 분석하였다.
본 발명에 따른 다결정 3C-SiC 박막형 RTD의 TCR은 상온에서 약 -5200ppm/℃였으며, 온도가 증가함에 따라 증가하여 500℃에서는 -1040ppm/℃이었고, 3C-SiC 마이크로 히터는 500℃ 발열하는데 10.3㎽의 전력을 소모하였다.
또한, 종래의 Pt 마이크로 히터의 경우는 15V 이상에서 발화되는 현상이 나타난 반면, 본 발명에 따른 3C-SiC 마이크로 히터는 30V 까지 정상적으로 작동하는 것으로 보아 본 발명에 따른 3C-SiC 마이크로 히터가 종래의 Pt 마이크로 히터에 비해 고전압에 대한 내구성이 우수함을 확인할 수 있었다.
또한, 본 발명에 따른 3C-SiC 마이크로 히터는 멤브레인 물질의 열전도도가 커서 매우 균일한 온도 분포를 가짐을 시뮬레이션과 적외선 열화상 카메라를 통해 확인할 수 있었다.
한편, 상술한 방법으로 제조된 마이크로 히터는 소비 전력이 적고, 온도 분포가 균일하며 고전압에서도 사용 가능하여 자동차, 조선, 항공기 엔진 분야와 같은 극한 환경에 사용되는 가스센서, 유량 센서와 같은 마이크로 센서와 마이크로 엑츄에이터, 고온용 전자부품 등 넓은 응용분야에서 적용될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 히터의 구조를 나타내는 수직 단면도이다.
도 2a 내지 도 2j는 도 1에 도시된 마이크로 히터의 단계별 제조 공정을 나\타낸다.
도 3a는 본 발명의 일 실시 예에 따라 다결정 3C-SiC 박막을 성장시키는데 이용되는 APCVD 장치를 간략하게 보인 예시도이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따라 3C-SiC 박막을 식각하는데 이용되는 마그네트론 RIE 장치를 간략하게 보인 예시도이다.
도 4는 도 2a 내지 도 2j에 따른 공정으로 제조된 3C-SiC 마이크로 히터의 FE-SEM 사진이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 히터의 성능을 설명하기 위한 도면들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3C-SiC 마이크로 히터의 온도 변화를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3C-SiC 마이크로 히터의 소비전력에 따른 온도 변화를 나타내는 도면이다.
도 8은 종래의 Pt 마이크로 히터 및 본 발명에 따른 3C-SiC 마이크로 히터의 전압 변화에 따른 저항의 변화를 나타내는 도면이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명에 따른 3C-SiC 마이크로 히터의 온도 분포와 발열 온도를 설명하기 위한 도면들이다.
* 도면 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
A : 지지부 B: 히팅부
C: 패드부 D: 공동부
110, 210: 기판 221, 222: 산화막
231, 232: 다결정 3C-SiC 막 240 : 절연층
250, 260 : 식각 마스크

Claims (10)

  1. 기판 상에 산화막을 형성하는 단계;
    상기 산화막 상에 제1 3C-SiC(Cubic Silicon Carbide) 박막을 형성하는 단계;
    상기 제1 3C-SiC 박막 상에 절연층을 형성하고 소정 형태로 패터닝하여, 제1 지지영역 및 제2 지지영역으로 구분되는 지지부를 형성하는 단계; 및
    상기 지지부 상에 제2 3C-SiC 박막을 형성하고 소정 형태로 패터닝하여, 상기 제1 지지영역 상의 패드부 및 상기 제2 지지영역 상의 히팅부를 제작하는 단계;를 포함하는 히터 제작 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 히팅부 및 상기 패드부 하측에 위치한 산화막의 적어도 일부를 식각하여 공동부를 마련하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히터 제작 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은 AlN(Aluminum Nitride)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 히터 제작 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 지지부를 형성하는 단계 및 상기 히팅부를 제작하는 단의 패터닝은,
    Al(Aluminum)을 식각 마스크로 이용하는 것을 특징으로 하는 히터 제작 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 히팅부를 제작하는 단계 이후에,
    상기 제2 3C-SiC 박막을 패터닝하여 상기 패드부 및 상기 히팅부와 함께 온도 센서를 제작하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히터 제작 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 온도 센서는,
    박막형 RTD(Resistance of temperature detector)인 것을 특징으로 하는 히터 제작 방법.
  7. 기판;
    상기 기판 상에서 제1 지지영역 및 제2 지지영역으로 구분되어 형성되며, 제1 3C-SiC 박막으로 이루어진 지지부;
    상기 기판 상부의 일 영역 상에 형성되는 공동부; 및
    상기 제1 지지영역 상에 형성되며, 제2 3C-SiC 박막으로 이루어진 히팅부;를 포함하는 히터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 지지영역 상에 형성되며, 상기 제2 3C-SiC 박막으로 이루어진 패드부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히터.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 지지부는,
    상기 기판 상에 형성된 제1 3C-SiC 박막 및 상기 제1 3C-SiC 박막 상에 형성된 절연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 히터.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 히팅부와 동일한 층 상에 마련되며, 상기 제2 3C-SiC 박막으로 이루어진 박막형 RTD(Resistance of temperature detector);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히터.
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