Pt 박막을 이용한 온도 센서의 제조

김지광, 김종성, 신영화*

경원대학교 화학공학과, 경원대학교 전기전자공학과*

The Fabrication of Temperature Sensor using Pt thin Film

Jikwang Kim, Jongsung Kim, Younghwa Shin*

Department of Chemical Engineering, Kyungwon University

Department of Electrical and Electronic Engineering, Kyungwon University*

서론

최근에 많은 전자 부품과 소자를 이용한 다양한 센서가 개발되었다.1)  현재 가장 많이 사용되는 열감지 기기는 온도에 따라 전기적 저항이 변하는 귀금속 후막재료를 사용한다.  그러나 후막형 금속은 온도가 높아질수록 저항의 증가가 직선성을 나타내지 않기 때문에 낮은 온도범위에서만 사용되어졌다.2)  박막 센서는 상대적으로 낮은 생산단가와 반도체 산업에서 이용되는 기술3)을 응용한 높은 생산성과 같은 이유로 많은 관심을 받고 있다.  현재 센서시장은 후막형 센서가 그 주류를 이루고 있지만, 앞으로 전자 산업이 발달됨에 따라 박막형 센서가 더욱 많이 사용되어질 것이다.

여러 가지 온도 센서 중 RTD 온도센서는 소자의 온도변화에 따른 저항값의 변화를 이용한 센서로서 전에는 RTD 센서에 절연체로 쌓여진 얇은 Pt wire가 가장 많이 사용되었지만, 현재는 가격이 낮고, 가장 안정적이며 효과적인 박막형 RTD 센서가 개발되어 사용되어지고 있다.

본 연구에서는 Pt 박막을 이용하여 RTD 센서를 제작하였다.  Pt 박막은 D.C. sputter를 이용하여 증착한 다음, 온도를 변화시키며 열처리를 하였다.  XRD, SEM, AFM, 4-point probe를 이용하여 열처리에 따른 박막의 표면 구조와 온도에 따른 전기적 저항특성을 조사하였고, 사진식각공정을 이용하여 serpentine형 패턴의 RTD 센서를 제작한 다음, 저항-온도 특성을 조사하였다.

실험

Thin Film Deposition

단면 가공된 알루미나 기판(Al2O3, 5□×5□)을 tetrachloro-ethylene에 10min, acetone에 10min, methanol에 10min, ethanol에 10min동안 세척한 후에 DI water로 10min동안 세척하고, 건조기로 90℃에서 20분간 건조하였다.  99.999%순도의 4-inch Pt target을 사용하여 D.C. sputtering법으로 Pt 박막을 증착하였다.  D.C. power는 420V × 0.24A, working pressure는 5×10-3torr였고, Ar 가스를 사용하여 30min동안 pre-sputtering을 실시하였다.  막의 질을 균질화 시키고 안정화시키기 위하여 tubular furnace를 이용하여 열처리를 하였다.  박막의 두께는 □-step (Tensor)로 측정하였고, XRD (X-ray Diffractometer, Phillips), AFM (Atomic Force Microscopy, Park Scientific Instruments), SEM (Scanning Electron Microscopy, Akashi Co.)등을 이용하여 박막의 구조특성을 분석하였다.  또한 4-point probe (Changmin Tech)를 이용하여 sheet resistance를 측정하였다.

Patterning and Resistance Measurement

증착된 Pt 박막에 사진식각공정을 이용하여  serpentine pattern을 형성하였다.4)  양성감광제(AZ 1518, Shipley)를 2000 rpm, 15sec동안 coating하고, 그 후 90℃에서 30min동안 soft bake를 실시하였다. 그리고 노광기(ALTECH Co.)로 600W에서 20sec동안 노광시킨 후, 현상액(AZ 351, Shipley):DI water를 1:4의 비율로 섞은 용액에 약 15sec동안 현상하였다.  120℃에서 30min동안 hard bake를 실시하고, HCl/HNO3 용액에서 etching을 하였다.  식각후 Pt 패턴 위에 남아있는 감광제를 acetone으로 제거하였으며, 마지막으로 증류수로 세척함으로써 화학식각 공정을 완료하였다.

AFM을 이용하여 Pt 박막의 표면과 roughness를 관찰하였고, digital multimeter (Keithley)로 온도변화에 따른 저항을 측정하였다.

결과 및 고찰

Fig. 3은 열처리 온도와 두께에 따른 Pt 박막의 sheet resistance의 변화를 보여주고 있다.

Fig. 1. The sheet resistance variation of Pt film

with annealing temperature and thickness

두께가 2600Å의 sample의 경우 열처리 온도가 증가함에 따라 sheet resistance가 감소하였다.  그러나 두께가 1830Å인 sample은 700℃이후부터 sheet resistance 다시 증가한다. 이것은 열처리에 따라 성장된 결정립에 의한 island 형성에 의해 sheet resistance가 상당히 증가한 것으로 보인다.

Fig. 2는 열처리에 따른 Pt 박막의 XRD pattern을 나타내고 있다.  XRD pattern

Fig. 2. X-ray diffraction pattern of Pt thin film with various annealing temperatures.

은 CuK□선 (□=1.542Å)과 Ni 필터를 사용하여 조사하였다. 그림에서 2□값이 39.7°에서 Pt (111) peak만 보이고, 43.2°에서의 Pt (200) peak는 보이지 않는다.  따라서 본 실험에서 성장된 Pt 박막은 단결정상에 가까움을 알 수 있었다.

또한 열처리 온도가 증가함에 따라 주 피크의 intensity가 증가하는데, 이것은 열처리 온도가 높아질수록 Pt 단결정들이 더 쉽게 성장하기 때문이다.

Fig. 3에 열처리 온도에 따른 Pt 박막의 SEM 사진을 나타내었다.  그림에서 보면 400℃에서는 Pt 결정이 아직 생기지 않았으나 온도가 증가함에 따라 결정이 성장됨을 알 수 있었다.  500℃에서 열처리하였을 때 결정 크기는 1□이하였으나, 700℃이상으로 올라가면 결정 크기는 1□이상으로 성장한다.

Fig. 3. SEM image of Pt thin film with various annealing temperatures.

Fig. 4는 AFM 사진을 나타내었다.  20여개 지점을 scanning하여 Rms roughness를 측정하였다.  박막의 roughness는 열처리 온도 400, 500 그리고 800℃에서 각각 78.74, 39.1 그리고 62.5Å였다.

Fig. 4 SEM image of Pt thin film with various annealing temperature

Fig. 5는 온도에 변화에 따른 저항을 나타낸다.  열처리 온도에 따라 저항이 감소하며, 저항은 온도에 따라 직선적으로 증가한다.  그림의 직선을 저항-온도에 관한 식으로 나타내면 다음과 같다.

R = A + BT

여기서, R은 RTD의 저항(□)이고, T는 온도(℃)이며, A, B는 저항상수이다.

Table 1에 A, B 계수와 저항온도계수(TCR)를 나타내었다.5)  800℃에서 열처리한 sample의 저항온도계수는 공업규격인 3.85 × 10-3 ℃-1에 거의 유사한 3.63 × 10-3 ℃-1의 값을 갖는다.

Fig. 5. The resistance variation of the prepared RTD with temperature

Table 1. The coefficients for resistance and TCR values of RTD samples

Annealing Temperature (℃)	600	700	800
A	114.08	64.64	24.76
B	0.231	0.180	0.091
TCR	0.2031	0.2933	0.3633

결론

D.C. sputtering과 photolithography 공정을 이용하여 RTD용 Pt 박막을 제조하였다. Pt의 박막의 구조는 열처리를 함으로써 변화하였다.  열처리 온도가 증가함에 따라 (111) peak의 intensity가 높아졌고, 결정립이 생성되어 sheet resistance가 감소하였다.  그리고 SEM이나 AFM 사진으로 열처리 온도가 증가함에 따라 결정이 형성되었다.  TCR의 계수도 열처리 온도가 증가함에 따라 증가함을 알 수 있었고, 800℃에서 공업규격과 거의 비슷한 값을 얻을 수 있었다.

감사

본 연구는 학술진흥재단의 □98 과학기술기초중점연구 지원사업(신소재연구)의 연구비를 지원 받아 수행하였다. (Grant : 1998-017-E00125)

참고문헌

1) Okamura, K., "Sensa Katsuyou Zue Bukku", Ohmsha, Ltd., 1997

2) Whang, K., "Sensor Technology", Kijeon, Seoul, 1994

3) Sachse, H.B., "Semiconducting Temperature Sensors and their Applications", John Wiley & Sons,  New York, 1975

4) Elliott, D., "Integrated Circuit Fabrication Technology", McGraw-Hill, 1982

5) Dziedzic, A., Golonka, L.J., Kozlowski, J., Licznerski, B.W., and Nitsch, K.,      "Thick-film resistive temperature sensors", Meas. Sci. Technol. 8 ,78-85, 1997