사진공정을 이용한 RTD(Resistance Temperature Detector) 센서의 제조

김지광, 김종성, 신영화*

경원대학교 화학공학과, 경원대학교 전기전자공학과*

The Fabrication of  RTD(Resistance Temperature Detector) Sensor

using Photolithography

Jikwang Kim, Jongsung Kim, Younghwa Shin*

Department of Chemical Engineering, Kyungwon University

Department of Electrical and Electronic Engineering, Kyungwon University*

서론

최근 전자 기기나 자동차 또는 산업용 대형 system에 사용되는 센서는 모든 부품의 소형화에 따라 종래의 bulk형 센서에서 기능이 다양하고, 복합적이며 소형화된 반도체식 박막형 센서로 변화되고 있는 추세에 있다.1) 여러 가지 온도 센서중2)3) RTD 온도센서는 소자의 온도변화에 따른 저항값의 변화를 이용한 센서로서, 실용화되어 있는 온도센서 중에서 가장 안정도가 높으며(특히 상온부근), 감도가 좋아 고정밀 온도계측이 가능하고, 비교적 간단한 외부 회로로 직선출력을 얻을 수 있다. 본 연구에서는 고순도 백금을 사용하여 소형화가 가능한 박막형 RTD를 제조하였다. 현재 생산·판매되고 있는 박막형 RTD는 주로 레이저 식각법을 이용한 제품들로서 고가이며 고온에서 사용할 때에는 자체 저항에 변화를 줄 수 있는 단점을 가지고 있다. 이를 해결하기 위해 박막증착용 알루미나(Al2O3) 기판 위에 고진공에서 sputtering법으로 Pt 박막을 형성하고, 화학식각공정을 이용하여 패턴을 형성하고 이를 다시 열처리하여 RTD를 제조하였다. 제조공정중의 sputtering time과 thickness, soft bake time과 developing time, thickness와 etching time과의 관계, 그리고 제조한 RTD의 온도-저항 특성, 그리고 etching time등의 관계를 연구 고찰하였다.

실험

본 연구의 시료는 알루미나 기판 위에 Pt를 증착하여 열처리 한 후에 소정의 패턴에 따라 화학 식각과정을 거쳐 제조하였다. Figure 1에 제조방법을 도시하였다. 단면 가공된 알루미나 기판(Al2O3, 5□×5□)을 DI water에 20min, tetrachloro- ethylene에 20min, acetone에 3-5min, methanol에 3-5min, HF(HF : DI water = 1:10)에 3min동안 세척한 후, NH4OH 용액으로 5min동안 담가 중화시켰다. 그 후에 DI water로 세척하고, 건조기로 90℃에서 20분간 건조하였다. 이렇게 세척한 기판 위에 D.C. sputtering법을 이용하여 Pt를 증착하고 막의 질을 균질화 시키고 안정화시키기 위하여 열처리를 하였다. 그리고, spin coater를 이용하여 양성감광제(AZ 1518)를 4000∼4200 rpm에서 30sec동안 coating 한 다음, 80℃에서 15min동안 soft bake를 하였다. 그리고 노광기(ALTECH Co.)로 40sec동안 노광시킨 후, 현상액(AZ 351):DI water를 1:4의 비율로 섞은 용액에 약 1min동안 현상하였다. 그런 다음, 110℃에서 30min동안 hard Bake를 실시하고 8H2O+7HCl+HNO3용액으로 etching을 하였다. Pt 식각이 완료된 다음에는 Pt 패턴 위에 남아있는 감광제를 H2SO4:H2O2 = 19:1 (상온)의 용액으로 제거하였으며, 마지막으로 증류수로 세척함으로써 화학식각 과정을 완료하였다.

그 다음, 순도 99.95%인 0.08"□ Pt wire를 상온용 Ag paste로 Pt 박막 위에 접착한 후 370℃가지 견딜 수 있는 epoxy를 경화제와 100:8의 비율로 혼합하여 봉합한 후 150℃에서 3시간동안 열처리하여 wire bonding을 마쳤다. 또한 370℃이상에서 측정될 소자는 고온에서도 사용 가능한 silica seal(Ferro Co., 590∼610℃에서 융착)로 bonding 하였다.

Figure 1. Flow chart for RTD fabrication

결과 및 고찰

Figure 2에는 sputtering time에 따른 두께의 변화를 보여준다. Ar으로 진공도를 10-1torr로 조절한 뒤, presputtering을 30min 실시한 후, 전류는 6.5∼7□로 고정시

Figure 2. Thickness change as a function of sputtering time

키고, sputtering time을 변화시키면서 증착실험을 하였다. Sputtering time을 증가시

킴에 따라 두께가 증가하였으나 그 증가율이 점차 감소하였다. 소자의 저항변화에 대한 두께의 영향을 평가하기 위해 각 두께별로 시료를 제조하였으나 4500Å이하의 시료의 경우 패턴형성이 어려워 두 개의 시료에 대해서만 온도-저항 특성 측정이 가능하였다.

증착된 Pt의 annealing 후 각 시료에 대해 soft bake time과 developing time을 변화시켜 최적의 soft bake time-developing time 관계를 구하였다. 표 1은 4600Å 두께의 시료에 대한 soft bake time-developing time 관계를 보여준다.

Table 1. Soft bake time vs Developing time

Soft bake time	5min	10min	15min	20min	25min
Developing time	16sec	40sec	60sec	68sec	84sec

Developing 후 형성된 패턴을 8H2O+7HCl+HNO3 용액으로 etching하였다.

각 시료별로 etching 시간을 변화시키면서 최적의 패턴을 형성하는 etching 시간을 구하였다. Figure 3은 Pt막 두께에 따른 최적의 etching 시간을 보여준다.

Figure 3. Optimum etching time vs thickness of Pt thin film

H2SO4:H2O2=19:1(상온)로 감광제를 제거한 후 wire bonding을 하여 RTD 센서의 온도-저항 특성 실험을 하였다. Pt 두께가 4500, 4600Å인 시료만 저항특성 실험이 가능하였다. Figure 4는 제조된 RTD의 온도-저항의 특성이 선형임을 보여준다.4) RTD는 Pt 저항값의 온도 의존성을 이용한 센서로서, 온도 상승에 따라 저항값이 증가한다.

일반적으로 센서협회의 규격에 따르면 RTD의 □값은,

[eqn: □={R_100 - R_0 } over R_0]

여기서, R100 : 100℃에서의 Resistance

R0  : 0℃에서의 Resistance

로 정의되며 □값이 0.385가 되어야 하나,5) 본 실험에서 4500Å일 때의 □값은 0.3381이며, 4600Å일 때의 □값은 0.3590 정도밖에 나오지 않아 앞으로의 해결 과제로 남아 있다.

Figure 4. The temperature-resistance characteristics of RTD sensor

결론

Pt 박막을 이용하여 온도-선형특성이 직선인 RTD sensor를 제작할 수 있었다.

Sputtering time에 따라 박막의 두께가 증가하였고, 박막의 두께가 증가함에 따라 저항이 증가하여 □값이 증가함을 알 수 있었다. 또한 저항을 크게 하기 위하여 선폭을 1□로 재현하기 위해서 soft bake time에 따른 최적의 developing time을 얻을 수 있었고, 두께에 따른 etching time도 얻을 수 있었다.

감사

본 연구는 학술진흥재단의 □98 과학기술기초중점연구 지원사업(신소재연구)의 연구비를 지원 받아 수행하였다.

참고문헌

1) "Ceramic Sensors", Compiled from Ceramic Abstracts Database, The American Ceramic Society, Inc., Ohio, 1991

2) T. Seiyama, "Chemical Sensor Technology", Vol. 1 & 2, Kodansha Ltd., Tokyo, 1988.

3) M. J. Madou & S. R. Morrison, "Chemical Sensing with Solid State Devices", Academic Press, Inc., New York., 1989.

4) L. Crovini, in "Sensors, A Comprehensive Survey", Vol. 4, W. Gopel, J. Hesse, and J. N. Zemel, Editors, p. 69. VCH Publishers Inc., New York, 1990.

5) International Electrotechnical Commission, "Industrial Platinum Resistance Thermo- meter Sensor", Publication 751, Bureau Central de la Commision Electrotechnique Internationale, Geneva, 1983, Amendment No. 1, 1986