반응성 스퍼터링과 고주파 마그네트론 스퍼터링으로 각각 증착된 MgO 박막과 그 위에 증착된 백금박막의 열처리 온도 및 시간에 따른 물리적, 전기적 특성을 4침 탐침기, 주사전자현미경 및 X선 회절법을 이용하여 분석하였다. $1000^{\circ}C$, 2시간의 열처리 조건하에서 MgO 박막은 백금박막과 화학적 반응없이 백금박막의 열산화막에 대한 부착특성을 개선시켰으며, 그 위에 증착된 백금박막의 면저항 및 비저항은 각각 $0.1288\;{\Omega}/{\square}$, $12.88\;{\mu}{\Omega}{\cdot}cm$이었다. Lift-off 방법을 이용하여 $SiO_2$/Si기판상에 백금 저항체를 만들었으며, 백금 와이어, 백금 페이스트 그리고 SOG를 이용하여 마이크로 열 센서용 박막형 Pt-RTD를 제작하였다. $25{\sim}400^{\circ}C$의 온도범위에서 $1.0{\mu}m$의 두께를 갖는 제작된 Pt-RTD의 저항온도계수는 벌크 백금에 가까운 $3927ppm/^{\circ}C$로 측정되었다. 측정온도범위내에서 저항값은 선형적인 변화를 보였다.
반응성 스퍼터링과 고주파 마그네트론 스퍼터링으로 각각 증착된 MgO 박막과 그 위에 증착된 백금박막의 열처리 온도 및 시간에 따른 물리적, 전기적 특성을 4침 탐침기, 주사전자현미경 및 X선 회절법을 이용하여 분석하였다. $1000^{\circ}C$, 2시간의 열처리 조건하에서 MgO 박막은 백금박막과 화학적 반응없이 백금박막의 열산화막에 대한 부착특성을 개선시켰으며, 그 위에 증착된 백금박막의 면저항 및 비저항은 각각 $0.1288\;{\Omega}/{\square}$, $12.88\;{\mu}{\Omega}{\cdot}cm$이었다. Lift-off 방법을 이용하여 $SiO_2$/Si기판상에 백금 저항체를 만들었으며, 백금 와이어, 백금 페이스트 그리고 SOG를 이용하여 마이크로 열 센서용 박막형 Pt-RTD를 제작하였다. $25{\sim}400^{\circ}C$의 온도범위에서 $1.0{\mu}m$의 두께를 갖는 제작된 Pt-RTD의 저항온도계수는 벌크 백금에 가까운 $3927ppm/^{\circ}C$로 측정되었다. 측정온도범위내에서 저항값은 선형적인 변화를 보였다.
The physical and electrical characteristics of MgO and Pt thin-films on it, deposited by reactive sputtering and rf magnetron sputtering, respectively, were analyzed with annealing temperature and time by four-point probe, SEM and XRD. Under annealing conditions of $1000^{\circ}C$ and 2 h...
The physical and electrical characteristics of MgO and Pt thin-films on it, deposited by reactive sputtering and rf magnetron sputtering, respectively, were analyzed with annealing temperature and time by four-point probe, SEM and XRD. Under annealing conditions of $1000^{\circ}C$ and 2 hr, MgO thin-film had the properties of improving Pt adhesion to $SiO_2$ and insulation without chemical reaction to Pt thin-film, and the sheet resistivity and the resistivity of Pt thin-film deposited on it were $0.1288\;{\Omega}/{\square}$ and $12.88\;{\mu}{\Omega}{\cdot}cm$, respectively. We made Pt resistance pattern on $SiO_2$/Si substrate by lift-off method and fabricated thin-film type Pt-RTD(resistance thermometer device) for micro thermal sensors by Pt-wire, Pt-paste and SOG(spin-on-glass). In the temperature range of $25{\sim}400^{\circ}C$, the TCR value of fabricated Pt-RTD with thickness of $1.0{\mu}m$ was $3927\;ppm/^{\circ}C$ close to the Pt bulk value. Resistance values were varied linearly within the range of measurement temperature.
The physical and electrical characteristics of MgO and Pt thin-films on it, deposited by reactive sputtering and rf magnetron sputtering, respectively, were analyzed with annealing temperature and time by four-point probe, SEM and XRD. Under annealing conditions of $1000^{\circ}C$ and 2 hr, MgO thin-film had the properties of improving Pt adhesion to $SiO_2$ and insulation without chemical reaction to Pt thin-film, and the sheet resistivity and the resistivity of Pt thin-film deposited on it were $0.1288\;{\Omega}/{\square}$ and $12.88\;{\mu}{\Omega}{\cdot}cm$, respectively. We made Pt resistance pattern on $SiO_2$/Si substrate by lift-off method and fabricated thin-film type Pt-RTD(resistance thermometer device) for micro thermal sensors by Pt-wire, Pt-paste and SOG(spin-on-glass). In the temperature range of $25{\sim}400^{\circ}C$, the TCR value of fabricated Pt-RTD with thickness of $1.0{\mu}m$ was $3927\;ppm/^{\circ}C$ close to the Pt bulk value. Resistance values were varied linearly within the range of measurement temperature.
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제안 방법
백금 박막에 미치는 영향은 quartz tube furnace를 이용하여 N2 분위기에서 열처리를 거친 후, four-point probe, o-step, SEM 및 XRD를 각각 이용하여 분석하였다. Si기판상에 MgO 박막을 매개층으로 이용한 박막형 Pt-RTD 는 photolithography 공정과 lift-off 방법으로 제작하여 N2 분위기에서 1000℃, 2시간 열처리를 거친 후, 그 특성을 분석 · 평가하였다. 표 1은 MgO와 백금박막의 증착 및 열처리 조건을 각각 나타낸 것이다.
물리적 특성을 four-point probe, Q-step, SEM 및 XRD로 각각 분석하였다. 그리고, 박막형 Pt-RTD를 Si기판과 알루미나 기판상에 각각 제작한 후, 온도에 따른 TCR값과 저항 변화율을 측정하여 비교 . 평가하였다.
반응성 rf 스퍼터링법으로 매개층 MgO 박막과 rf 스퍼터링법으로 백금박막을 각각 순차적으로 증착했으며, 열처리에 따른 백금박막의 전기적 . 물리적 특성을 four-point probe, Q-step, SEM 및 XRD로 각각 분석하였다. 그리고, 박막형 Pt-RTD를 Si기판과 알루미나 기판상에 각각 제작한 후, 온도에 따른 TCR값과 저항 변화율을 측정하여 비교 .
열적 안정성이 높으며 응답 특성이 양호한 백금을 감지물질로 사용하여 가격이 저렴한 박막형 Pt-RTD를 제작하여, 그 특성을 분석하였다. 반응성 rf 스퍼터링법으로 매개층 MgO 박막과 rf 스퍼터링법으로 백금박막을 각각 순차적으로 증착했으며, 열처리에 따른 백금박막의 전기적 . 물리적 특성을 four-point probe, Q-step, SEM 및 XRD로 각각 분석하였다.
(6)증착된 MgO 박막의 열처리 특성과. 백금 박막에 미치는 영향은 quartz tube furnace를 이용하여 N2 분위기에서 열처리를 거친 후, four-point probe, o-step, SEM 및 XRD를 각각 이용하여 분석하였다. Si기판상에 MgO 박막을 매개층으로 이용한 박막형 Pt-RTD 는 photolithography 공정과 lift-off 방법으로 제작하여 N2 분위기에서 1000℃, 2시간 열처리를 거친 후, 그 특성을 분석 · 평가하였다.
본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링법으로 순차적으로 증착된 매개층 MgO와 백금박막의 열처리 조건에 따른 전기적, 물리적 특성을 분석하였으며, 매개 층으로 이온성 산화물인 MgO 박막을 이용하여 Si기판과 알루미나 기판상에 각각 박막형 PHRTD를 제작하여 특성을 비교 . 평가하였다.
또한, 화학적 . 열적 안정성이 높으며 응답 특성이 양호한 백금을 감지물질로 사용하여 가격이 저렴한 박막형 Pt-RTD를 제작하여, 그 특성을 분석하였다. 반응성 rf 스퍼터링법으로 매개층 MgO 박막과 rf 스퍼터링법으로 백금박막을 각각 순차적으로 증착했으며, 열처리에 따른 백금박막의 전기적 .
증착시 SiO?와 백금박막과의 부착특성을 개선시키기 위해 MgO 타겟을 이용한 반응성 rf 스퍼터링 법으로 기판과 타겟의 거리를 7 cm 이상을 유지하여 MgO 박막을 1000A 증착시켜 매개층으로 이용하였다. 그리고 w 센서물질인 백금은 rf 스퍼터링법으로 1.
나타낸 것이다. 저항변화율은 질소 분위기인 furnace에서 상온에서부터 400℃ 까지의 온도 범위에서 측정하였다. 샘플 1과 2는 Si기판과 알루미나 기판상에 각각 제작한 박막형 Pt-RTD 5개를 각각 10회 측정하여 얻은 평균값이다.
Pt-RTD의 표면사진이다. 제작된 박막형 Pt-RTD는 박막의 13.0 µ · Qcm 비저항값을 고려하여 10QQ 기준으로 저항을 설계했다. 선폭은 30 ㎛이며 제작된 센서의 전체 크기는 2.
5X4 mm이다. 제작된 박막형 Pt-RTD의 특성을 분석하기 위해 Pt-paste를 사용하여 Pt-wire를 bonding하여 배선했으며, 대류에 의한 영향을 최소화하기 위해 분위기 가스와 진공도의 제어가 가능한 밀폐시스템 내에서 분석하였다.
대상 데이터
그림 1. Si기판상에 제작된 박막형 Pt-RTD의 표면사진.
본 연구에서는 비저항이 약 4~5Qan, 두께 530 ㎛의 p(100)으로 반도체공정의 기본세척공정을 거치고 자연 산화막을 제거시킨 후, 열산화막을 3000A 성장시킨 Si 기판과 KYOTO SERAMIC사에서 제작한 알루미나기판 (조도분석 : 2 °)을 각각 사용하였다. Si기판상에 백금 박막 증착시 SiO?와 백금박막과의 부착특성을 개선시키기 위해 MgO 타겟을 이용한 반응성 rf 스퍼터링 법으로 기판과 타겟의 거리를 7 cm 이상을 유지하여 MgO 박막을 1000A 증착시켜 매개층으로 이용하였다.
본 연구에서는 집적화가 용이한 Si기판상에 고온 열처리 시 백금박막과의 반응을 피할 수 있으며 절연 특성이 우수하고, 부착특성을 향상시킬 뿐만 아니라 내열성이 우수한 이온성 산화물질인 MgO 박막을 매개 층으로 사용하였다. 또한, 화학적 .
0 µ · Qcm 비저항값을 고려하여 10QQ 기준으로 저항을 설계했다. 선폭은 30 ㎛이며 제작된 센서의 전체 크기는 2.5X4 mm이다. 제작된 박막형 Pt-RTD의 특성을 분석하기 위해 Pt-paste를 사용하여 Pt-wire를 bonding하여 배선했으며, 대류에 의한 영향을 최소화하기 위해 분위기 가스와 진공도의 제어가 가능한 밀폐시스템 내에서 분석하였다.
성능/효과
그림 3(a)는 열처리 전의 백금 박막 표면으로 미소패턴 형성에 유리한 균일한 표면 특성 올 보이고 있다. 그러나, 그림 3(b)처럼 백금박막을 1000℃, 2시간 열처리를 행함으로써 결정립이 형성되어 입자들의 경계가 현저하고 전기적으로 불안한 상태이며 구조적으로 갈라진 틈 사이가 밀착됨을 알 수 있다. 백금박막은 열처리 전에는 면저항과 비저항값이 각각 0.
열처리 시간은 2시간으로 고정하였으며 열처리 온도가 높아질수록 비저항값이 벌크 백금에 가까운 값을 가졌다. 10001 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.
완벽한 절연특성을 보였다. 따라서, MgO 박막을 매개층으로 증착된 백금박막은 1000℃ 이상의 고온 열처리가 가능하기 때문에 백금의 결정성을 증가시켜 비저항이 크게 개선되었으며, 이를 four-point probe, a -step, SEM 그리고 XRD를 각각 이용한 분석을 통해서 확인할 수 있었다.
3림 6(a)에서 샘플 1 RTD의 TCR값은 벌크 백금에 가까운 3927 ppm/℃의 평균값을 가졌다. 또한, TCR값의 표준편차를 분석한 결과, 1C당 0.7 ppm/℃로매우 선형성이 좋은 특성을 얻었다. 그림 6(b)는 (a)의 TCR값을 저항변화율로 나타낸 것이다.
백금과 화학적 반응없이 백금의 SiO?에 대한 부착 특성을 개선시켰으며, lOOOt 이상의 고온 열처리에서도 완벽한 절연특성을 보였다. 따라서, MgO 박막을 매개층으로 증착된 백금박막은 1000℃ 이상의 고온 열처리가 가능하기 때문에 백금의 결정성을 증가시켜 비저항이 크게 개선되었으며, 이를 four-point probe, a -step, SEM 그리고 XRD를 각각 이용한 분석을 통해서 확인할 수 있었다.
백금 박막의 회절패턴에서 열처리 전 .후 모두 백금 피크만이 20 = 39.6° 부근에 두드러지게 나타나는 것을 알 수 있으며, 고온 열처리를 행함으로써 indensity가 더욱 증가하고 잔여피크가 크게 작아짐을 알 수 있다. 따라서, 열처리 후에도 백금박막이 MgO 박막과 반응이 없고 백금 고유의 특성을 가짐을 알 수 있다.
후속연구
특히, 마이크로 열 센서(가스, 유량/유속, 진공 등)는 동작온도가 센서의 감도, 선택성 그리고 응답시간 등의 특성을 최적화시키는데 중요한 요소로서 작용한다.(4) 따라서, 마이크로머시닝기술에 의한 저전력소비, 정확한 동작온도제어, 저열적 용량, 센서 어레이 화가 쉽고 높은 저항온도계수(TCR : Temperature Coefficient of Resistance) 그리고 집적화가 용이하며 온도에 따른 저항변화의 선형성이 우수한 마이크로 열 센서용 온도센서가 개발되어야 한다. 현재, pn접합 다이오드를 이용한 온도센서(5)와 백금을 센서물질로 사용한 박막형 Pt-RTD161 등을 이용한 마이크로 열 센서용 온도 센서에 관하여 연구되고 있다.
또한, 벌크 백금의 TCR값인 3927 ppm/℃에 가까운 값을 얻었다. 따라서, Si기판상에 MgO 박막을 매개층으로 제작된 박막형 Pt-RTD는 범용 온도센서뿐만 아니라 마이크로머시닝기술에 의한 집적화된 마이크로 열 센서개발 시 온도센서로써 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
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