Pt 박막의 패터닝 형성 및 저항소자의 온도-저항 특성 연구

원종각, 김지광, 김종성

경원대학교 화학공학과

The patterning of Pt thin film and temperature-resistance characteristics of RTD

Jongkak Won, Jikwang Kim, Jongsung Kim

Department of Chemical Engineering, Kyungwon University

서론

21세기에 들어 첨단산업의 발전에 있어 가장 중요하고도 필수적인 기술로서 인간의 감각을 대신하는 센서기술이 주목을 받고 있다. 센서는 프로세스 공업, 기계공업, 전자공업 등의 각종 공업분야로부터 자동차, 가전제품, 안전 방재 기기 등 여러 분야에서 그 사용이 급증하고 있다. 최근에는 micro-electronics 기술이 뒷받침된 신호 처리, 정보처리 기술이 급속히 발전되어 센서와 마이크로 프로세서가 결합된 복합제품이 개발되고 있다. 최근 선진국에서는 모든 전자부품이 얇고, 가볍고, 작게 제작되는 추세에 따라 지금까지 생산되었던 bulk형 센서에 비하여 다 기능적이고 복합적이며 소형화된, 반도체공정1)을 이용하는 박막형 센서분야를 미래의 가장 유망한 첨단산업의 하나로 생각하고 집중적인 연구개발을 하고 있다.2∼5)

본 연구에서는 박막형 온도센서인 RTD(Resistance Temperature Detector)를 Pt 박막을 이용해서 제조하였다. Serpentine pattern을 형성시키기 위한 노광, 현상, 에칭 공정을 최적화 하였고 박막의 구조에 따른 저항소자의 온도-저항 특성을 조사하였다.

실험

Thin Film Deposition

단면 가공된 알루미나 기판(Al2O3, 5□×5□)을 tetrachloro-ethylene에 20min, acetone에 20min, methanol에 20min, ethanol에 20min 동안 세척한 후에 DI water로 20min동안 세척하고, 건조기로 90℃에서 30분간 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, 또한 4-point probe (Changmin Tech)를 이용하여 sheet resistance를 측정하였다.

Patterning and Resistance Measurement

증착된 Pt 박막에 사진식각 공정을 이용하여 serpentine pattern을 형성하였다. Shipley사의 양성감광제(AZ 1518)와 현상액(AZ 351)을 사용하였고 선폭이 다른 5종류의 마스크 패턴을 사용하였다. 소프트베이킹시간, 온도, 노광시간, 현상액 농도, 에칭용액 조성을 변화시켜 최적의 사진식각 공정조건을 도출하였다. RTD를 제조한 후 온도조절 범위 내에서 digital multimeter(Keithley)를 사용하여 온도-저항 특성을 측정하였다.

결과 및 고찰

Fig. 1은 현상용액의 온도와 농도에 따른 photoresist막의 두께변화를 나타내었다. 온도가 높아질수록 노광된 photoresist의 용해도가 증가하여 현상시간은 줄어들지만 어느 정도 이상 온도가 올라가면 노광되지 않는 photoresist가 손상되어 선명한 패턴이 형성되지 않는다. 온도를 고정하고 농도를 변화를 주면 농도가 진해질수록 빨리 현상되지만 온도와 마찬가지로 어느 정도 이상이 되면 pattern 형성이 어려워진다. 여기서의 최적 조건은 온도가 50℃이고 농도는 developer : DI water = 1 : 5 일 때이다.

(a)                                    (b)

Fig. 1. The thickness variation of PR with (a)developing temperature and

(b)developer concentration

Pt의 etchant로는 HNO3과 HCl, 그리고 H2O를 혼합하여 사용하였다. HNO3:HCl의 부피비율은 1:5, 1:6, 1:7로 하였다. H2O의 비율을 변화해가며 실험한 결과, H2O의 비율이 90, 30일 때에 전혀 etching이 되지 않다가, 비율이 감소할수록 점차 etching이 잘 되었다. Etching 실험 결과, HNO3 : HCl : H2O = 1 : 7: 3일 때 식각이 가장 잘 되었다. Fig. 2는 사진식각공정에 의해 제조된 RTD를 보여준다.

(a) 0.4□                 (b) 0.2□                 (c) 0.1□

Fig. 2. The fabrication of RTD device via D.C. sputtering & photolithography

Fig. 3 ∼ 5는 제작된 RTD 소자의 온도 변화에 따른 저항변화를 보여준다. 제작된 모든 RTD 소자들이 선형적인 온도-저항특성을 나타내었다. Fig. 3은 mask pattern별로 온도 저항을 측정한 것이다. pattern의 선폭이 좁을수록 저항값은 증가하고 그 기울기도 증가함을 알 수 있었다. Fig. 4와 5는 열처리 온도와 Pt 박막의 두께에 따라 저항값을 측정한 것이다. 열처리 온도가 증가할수록, 두께가 얇을수록 저항값은 증가하였고, 그 기울기도 증가하였다. 측정된 기울기로부터 각 소자들의 temperature coefficient of vesistance(TCR)를 구하였다. 0.1□ 선폭의 RTD의 경우 그 값이 3.53 × 103 ppm/℃였는데, 이는 RTD 공업규격 3.85 × 103 ppm/℃에 근접한 값이다.

Fig. 3. Temperature dependence of the resistance of RTD with various line widths : (A) 0.4□, (B) 0.3□, (C) 0.2□, (D) 0.15□, (E) 0.1□

Fig. 4. Temperature dependence of the resistance of RTD with various annealing temperatures : (A) 500℃, (B) 600℃, (C) 700℃

Fig. 5. Temperature dependence of the resistance of RTD with various thickness :

(A) 1050Å, (B) 2063Å, (C) 3138Å

결론

화학 식각 공정법은 복잡하다는 단점이 있지만, Pt 패턴을 정교하게 만들 수 있었다. 사진 공정에서 현상용액의 농도가 진할수록, 온도가 높을수록 현상시간이 단축되었지만, 그 이상으로 올라가면 pattern이 손상되는 현상을 볼 수 있었다. 최적의  developing 조건은 50℃, 농도가 developer : DI water = 1:5였다. 식각공정에서는 에칭용액의 조성이 큰 영향을 미쳤는데, 최적 조건은 온도 90℃에서 HCl : HNO3 : H2O = 1 : 7 : 3 이다.

본 실험에서 제조한  RTD의 온도-저항 선형 특성은 매우 우수하였다. 열처리 온도가 증가할수록 두께가 얇을수록, 패턴의 선폭이 좁을수록 TCR의 계수가 증가함을 알 수 있었다.

감사의 글

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

참고문헌

1. Szchse, H.B., "semiconducting Temperature Sensors and their Applications", John      Wiley & Sons, New York. (1975)

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

3. "Japanese R&D Trend Analysis. Advanced Materials", Report No. 6 : Cermic         Sensors, KRI International. Inc., Tokyo. (1989)

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

5. Wang, K., "Sensor Technology", Kijeon, Seoul. (1994)