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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 표면 MEMS 기술을 이용한 고온용 다결정 3C-SiC 용량형 압력센서 제작하기 위한 단위공정기술과 그에 대한 특성을 분석, 평가하였다. 또한, 최적 조건에서 제작된 용량형 압력센서의 고온 및 압력에 대한 출력특성과 장기 안정성 등을 분석, 평가하여 열악한 환경에서 사용 가능한 압력센서로 응용하고자 한다.
- 따라서, 본 연구에서는 표면 MEMS 기술을 이용한 고온용 다결정 3C-SiC 용량형 압력센서 제작하기 위한 단위공정기술과 그에 대한 특성을 분석, 평가하였다. 또한, 최적 조건에서 제작된 용량형 압력센서의 고온 및 압력에 대한 출력특성과 장기 안정성 등을 분석, 평가하여 열악한 환경에서 사용 가능한 압력센서로 응용하고자 한다.
- 본 연구에서는 표면 MEMS 기술을 이용하여 다결정 3C-SiC 용량형 압력센서를 제작하기 위한 공정과 고온 환경에도 사용가능한 출력에 대한 특성을 분석, 평가하였다. 표면 MEMS 기술을 기초로 하여 다결정 3C-SiC 용량형 압력센서는 각 공정별 최적화된 설계를 통해 제작되었다.
제안 방법
- 기판으로는 4인치 P형 Si 웨이퍼 <100>을 사용하였다. 각 공정마다 RCA 세정공정을 추가하였다. 실리콘 기판상에 절연을 위한 Si3N4박막은 LPCVD(low pressure chemical vapor deposition)를 이용하여 low stress로 두께 0.
- 그림 5는 제작 된 용량형 압력센서 칩을 패키징한 후 사진이다. 고온용 세라믹 페이스트를 사용하여 칩을 TO-5 다이위에 고정시킨 후 칩본딩을 행하였다.
- 상부전극의 구조는 그림 4와 같이 희생 층으로 사용되는 LTO 박막을 제거할 수 있게 anchor구조로 설계하였으며, 희생층은 BOE 에칭 액을 사용하여 anchor 구조의 다이어프램 주위의 채널들을 통해 제거하였다. 다음은 열여 진 다이어 프램 공간을 밀폐하기 위해 2.5 um 두께의 LTO박 막을 증착하여 링모양의 패턴형성을 하였다. 이런 구조를 통해 내부 용량값은 진공중에 밀폐되는 안정적인 용량값을 얻을 수 있게 된다.
- 이런 구조를 통해 내부 용량값은 진공중에 밀폐되는 안정적인 용량값을 얻을 수 있게 된다. 다이어프램 주위에 형성된 LTO박막의 링은 강도를 높이기 위해 1000℃에서 열처리를 행하였다. 금속화공정은 Ni(300 nm)/Cr(100 nm)/Au(500 nm)를 증착하여 패턴공정을 행하였다.
- 고온에서 장시간 안정하고 낮은 접촉저항을 갖는 ohmic 접촉의 형성을 위해 다결정 3C-SiC박막과의 접촉물질로 니켈 박막을 사용하였다. 마지막으로 최종 전극작업 공정 후 RTA에 의해 750℃에서 급속열처리를 행하였다. 그림 4의 (b)는 금속화공정을 행한 후 SEM (scanning electron microscope)사진을 나타낸 것이다.
- 5 um로 증착하여 하부 전극과 동일하게 건식식각장비를 통해 패턴을 형성하였다. 상부전극의 구조는 그림 4와 같이 희생 층으로 사용되는 LTO 박막을 제거할 수 있게 anchor구조로 설계하였으며, 희생층은 BOE 에칭 액을 사용하여 anchor 구조의 다이어프램 주위의 채널들을 통해 제거하였다. 다음은 열여 진 다이어 프램 공간을 밀폐하기 위해 2.
- 이러한 정전용량 압력센서의 정전용량은 두개의 전극의 면적과 그 전극사이의 거리 및 유전체의 유전율에 의해 결정되며, 전극 사이의 거리의 변화에 의해 변화하는 정전용량을 통하여 외부 압력의 변화를 감지한다. 용량형 압력센서는 지름이 다른 센싱 다이어프램 주위가 구속된 접촉식과 비접촉식으로 동작하는 응용사양의 압력범위에 따라 설계하였다. 센서의 동작모드는 성능을 미리 보기 위해 FEM에 의해 모델화 되었다.
- 용량형 압력센서는 접촉식과 비접촉식으로 구성할 수가 있다. 접촉식은 인위적으로 다이어프램이 기판에 닿는 범위에서 동작되도록 설계되었다. 용량의 변화는 주로 접촉된 영역에 의해 결정되고 인가된 압력에 비례한다.
- 그림 4의 (b)는 금속화공정을 행한 후 SEM (scanning electron microscope)사진을 나타낸 것이다. 제작 된 용량형 압력센서의 기본성능측정 및 고온특성측정을 위해 고온에서 측정 가능한 세라믹 패키킹을 하여 센서출력을 분석하였다.
- 본 연구에서는 표면 MEMS 기술을 이용하여 다결정 3C-SiC 용량형 압력센서를 제작하기 위한 공정과 고온 환경에도 사용가능한 출력에 대한 특성을 분석, 평가하였다. 표면 MEMS 기술을 기초로 하여 다결정 3C-SiC 용량형 압력센서는 각 공정별 최적화된 설계를 통해 제작되었다. 제작 된다결정 3C-SiC 용량형 압력센서는 다이어프램 반경이 50 um이고 다이이프램간 갭은 1.
- 실리콘질화막은 접촉식에서 전극간의 전기적 절연을 위해 사용되었으며 하부전극부는 포토작업을 통해 contact open하였다. 표면마이크로머시닝 공정을 통한 희생 층으로 사용될 물질인 LTO(low temperature oxide)박막은 두께 1.4 um로 증착하였으며, 지지층을 위해 패턴공정을 행하였다. 그 다음 공정으로 상부전극으로 사용 될 다결정 3C-SiC박막은 LPCVD를 이용하여 두께 2.
대상 데이터
- 금속화공정은 Ni(300 nm)/Cr(100 nm)/Au(500 nm)를 증착하여 패턴공정을 행하였다. 고온에서 장시간 안정하고 낮은 접촉저항을 갖는 ohmic 접촉의 형성을 위해 다결정 3C-SiC박막과의 접촉물질로 니켈 박막을 사용하였다. 마지막으로 최종 전극작업 공정 후 RTA에 의해 750℃에서 급속열처리를 행하였다.
- 3 um로 증착하였다. 그 다음 하부전극으로 다결정 3C-SiC은 LPCVD를 이용해 Si과 C의 공급원으로 SiH2Cl2 (100%, 35 sccm)과 C2H2(5% H2, 180 sccm)을, 도핑가스로는 NH4(5%, 64 sccm)을 사용하였다. 증착된 다결정 3C-SiC은 건식식각 장비인 ICP(inductively coupled plasma) 식각기를 이용하여 용량센서의 하부전극패턴을 형성하였다.
- 기판으로는 4인치 P형 Si 웨이퍼 을 사용하였다.
- 처음 비접촉식에서의 normal, 접촉식으로 변환되는 transition, 접촉식에서 선형구간인 linear, 감도가 떨어지는 구간인 saturation으로 나눌 수 있다. 멤브레인 구조는 poly 3C-SiC/Si3N4/poly 3C-SiC으로 구성되었으며 캐비티는 거의 진공에 가까운 절대압 압력센서이다. 멤브레인 아래 실리콘 기판상의 다결정 3C-SiC층과 상부전극인 기판상의 다결정 3C-SiC 층은 병렬판 센싱커패시터로 구성되었다.
- 비접촉식은 작은 휨변형으로 접촉식은 큰휨변형으로 동작된 다이어프램의 성능을 나타내었다. 센서 다이어프램은 영점압력용량 갭은 1.4～2.5 um으로 다이어프램 설계는 50 um의 반경과 두께 2.5 um로 하였다. 이 모델링 된 결과들은 받아들일 수 있는 감도와선형성은 선택된 압력범위를 얻을 수 있도록 나타내었다.
- 각 공정마다 RCA 세정공정을 추가하였다. 실리콘 기판상에 절연을 위한 Si3N4박막은 LPCVD(low pressure chemical vapor deposition)를 이용하여 low stress로 두께 0.3 um로 증착하였다. 그 다음 하부전극으로 다결정 3C-SiC은 LPCVD를 이용해 Si과 C의 공급원으로 SiH2Cl2 (100%, 35 sccm)과 C2H2(5% H2, 180 sccm)을, 도핑가스로는 NH4(5%, 64 sccm)을 사용하였다.
- 그림 7은 제작 된 다결정 3C-SiC 용량형 압력센서의 전 영역에서 온도별 압력에 따른 출력특성을 보여준다. 용량형 압력센서 다이어프램 반경은 50 um이고 전극간 갭은 1.4 um이며 칩상에 병렬로 배열된 셀의 개수는 117개 이다. 첫 번째 구간인 1 bar에서 70 bar까지는 비접촉식을 나타낸 것이고 70～100 bar구간은 비접촉식에서 접촉식으로 변하는 구간이고, 100 bar에서 160 bar구간은 가장 선형적으로 변화는 구간으로 비선형성이 약 0.
- 표면 MEMS 기술을 기초로 하여 다결정 3C-SiC 용량형 압력센서는 각 공정별 최적화된 설계를 통해 제작되었다. 제작 된다결정 3C-SiC 용량형 압력센서는 다이어프램 반경이 50 um이고 다이이프램간 갭은 1.4 um이며 칩상에 병렬로 배열된 셀의 개수는 117 개 이다. 출력을 분석한 결과 1 bar에서 70 bar까지는 작은 휨인 비접촉식로 나타났고, 70～100 bar구간은 비접촉식에서 접촉식으로 변하는 구간이고, 큰휨 구간인 100 bar에서 160 bar구간은 가장 선형적으로 변화는 구간으로 비선형성이 약 0.
성능/효과
- 49 pF/bar로 감소하였다. 500℃일 때 압력 100 bar에서 출력값에 대한 온도계수는 0.034 %/℃ 였으며, 전체적인 압력구간에서 고온특성은 일정한 비율로 양호한 특성이 나타났다. 그리고, 고온에서의 장기간 안정성도 우수함을 보였다.
- 034 %/℃ 였으며, 전체적인 압력구간에서 고온특성은 일정한 비율로 양호한 특성이 나타났다. 그리고, 고온에서의 장기간 안정성도 우수함을 보였다. 따라서, 표면 MEMS 기술을 이용하여 제작된 다결정 3C-SiC 용량형 압력센서는 고온에서 우수한 특성을 나타내는 극한환경용 센서로서 유용하게 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 이는 다결정 Si으로 제작한 용량형 압력센서는 250℃까지는 사용가능하나 그 이상의 온도에서는 그 영향이 커서 사용하기 힘들 것으로 사료된다. 다결정 3C-SiC로 제작한 용량형 압력센서는 350℃에서 출력값에 대한 온도계수가 0.032 %/℃정도로 고온에서 일정한 온도특성곡선을 나타내며 안정적인 특성을 보였다.
- 그 이상에서는 포화되는 것을 볼 수 있다. 온도가 증가할수록 출력용량 값은 감소하였으며, 500℃에서는 비선형성이 1.6%로 증가하였으며 감도는 0.49 pF/bar로 감소하였다. 500℃일 때 압력 100 bar에서 출력값에 대한 온도계수는 0.
- 그 이상에서는 포화되는 것을 볼 수 있다. 온도가 증가할수록 출력용량 값은 감소하였으며, 500℃에서는 비선형성이 1.6%로 증가하였으며 감도는 0.49 pF/bar로 감소하였다. 500℃일 때 압력 100 bar에서 출력값에 대한 온도계수는 0.
- 5 um 로 제작 한 용량형 압력센서의 출력은 다결정 3C-SiC 박막을 사용한 경우가 측정 압력 영역은 넓었으며 감도는 다결정 Si보다 적은 것을 확인하였다. 온도에 따른 출력특성을 비교하니 압력값이 10 bar 기준일 때 다결정 Si인 경우 온도가 250℃에서는 출력값에 대한 온도계수가 0.023 %/℃였으나 온도가 350℃로 증가하면서 온도계수가 0.144%/℃로 그 값이 현저하게 커짐을 알 수 있었다. 이는 다결정 Si으로 제작한 용량형 압력센서는 250℃까지는 사용가능하나 그 이상의 온도에서는 그 영향이 커서 사용하기 힘들 것으로 사료된다.
- 034 %/℃였다. 전체적인 고온에서의 온도특성은 일정한 비율로 안정적인 추세를 보였다.
- 045%이내의 Drift 특성이 나왔다. 제작 된 용량형 압력센서의 경우 내부 재료의 열적 안정성 및 내구성이 높아 고온 환경에서도 아주 안정적인 출력값을 얻을 수 있었다.
- 4 um이며 칩상에 병렬로 배열된 셀의 개수는 117개 이다. 첫 번째 구간인 1 bar에서 70 bar까지는 비접촉식을 나타낸 것이고 70～100 bar구간은 비접촉식에서 접촉식으로 변하는 구간이고, 100 bar에서 160 bar구간은 가장 선형적으로 변화는 구간으로 비선형성이 약 0.7%이내이고 감도는 0.55 pF/bar 였다. 그 이상에서는 포화되는 것을 볼 수 있다.
- 4 um이며 칩상에 병렬로 배열된 셀의 개수는 117 개 이다. 출력을 분석한 결과 1 bar에서 70 bar까지는 작은 휨인 비접촉식로 나타났고, 70～100 bar구간은 비접촉식에서 접촉식으로 변하는 구간이고, 큰휨 구간인 100 bar에서 160 bar구간은 가장 선형적으로 변화는 구간으로 비선형성이 약 0.7%이내이고 감도는 0.55 pF/bar 였다. 그 이상에서는 포화되는 것을 볼 수 있었다.
후속연구
- 그리고, 고온에서의 장기간 안정성도 우수함을 보였다. 따라서, 표면 MEMS 기술을 이용하여 제작된 다결정 3C-SiC 용량형 압력센서는 고온에서 우수한 특성을 나타내는 극한환경용 센서로서 유용하게 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
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