Lift-off법을 이용한 Pt-RTD의 온도-저항 특성 연구

원종각, 김종성

경원대학교 화학공학과

The study on the temperature-resistance characteristics of

Pt-RTD fabricated via Lift-off process

Jongkak Won, Jongsung Kim

Department of Chemical Engineering, Kyungwon University

서론

현대 과학기술 중 상당부분이 물리량의 정확한 계측과 관계가 있다. 이 계측의 목적은 연구대상 또는 프로세스의 물리적 혹은 화학적 성질에 과한 정보를 얻거나 얻어진 정보에 의해서 대상 프로세스를 제어하는 것이다. 이 역할을 수행하는 것이 센서이다. 따라서 센서의 중요성이 커지고 있다. 특히 다양하고 복합적이며 소형화된 반도체식 박막형 센서가 중요시하고 있는데1) 그 중에서 RTD 온도센서는 소자의 온도변화에 따른 저항값의 변화를 이용한 센서로서 실용화되어 있는 온도센서 중에서 가장 안정도가 높으며, 감도가 좋아 고정밀 온도계측이 가능하다. 본 연구에서는 박막형 온도센서인 RTD(Resistance Temperature Detector)를 Lift-off법을 이용하여 제조하고 온도-저항의 특성을 조사하였다.

실험

본 연구에서는 알루미나 기판 상에 양성감광제를 코팅하고, Pt sputtering 후 패턴성형을 하는 lift-off법을 이용해 RTD 소자를 제조하였는데, Fig. 1에 그 방법을 도시하였다. 단면 가공된 알루미나 기판(Al2O3, 1cm × 1.5cm)을 tetrachloro- ethylene, 아세톤, 메탄올, 에탄올, DI water에 각각 20분간 세척 한 후에 90℃에서 30분간 건조하였다. Shipley사의 양성감광제(AZ 1518)를 스핀코팅 한 후 90℃에서 30분간 softbake를 실시하였다. Negative wall 형성을 위해 이를 toluene에 soaking 한 후 노광(Altech), 현상(AZ 351) hardbake를 실시하여 serpentine pattern을 완성하였다. 형성된 PR패턴 위에 D.C. sputtering법으로 Pt를 증착하였다2),3). 이때 power는 420V × 0.24A, working pressure는 8×10-3torr이고 5분 동안 증착하였다. 이를 아세톤에 담근 후 초음파를 가해 lift-off를 실시하여 Pt의 serpentine pattern을 완성하였다. tubular furnace로 700℃에서 열처리 후 온도-저항값을 측정하여 TCR(Temperature Coefficient of Resistance) 값을 계산하였다. 박막의 두께는 □-step(Tensor)으로 측정하였고, AFM(Atomic Force Microscopy, Park Scientific Instruments)으로 열처리에 따른 박막의 표면구조를 조사하였다. 또한 4-point probe(Changmin Tech)를 이용하여 sheet resistance를 측정하였다.

Fig. 1. Flow chart for RTD fabrication

결과 및 고찰

Fig. 2는 증착 된 Pt의 annealing 온도 변화(1시간)에 따른 면저항 변화를 보여준다. 열처리 온도가 500℃에서 700℃까지는 sheet resistance가 줄어들고, 800℃에서 다시 올라가고 900℃에서 다시 작아지는 것을 알 수 있다. 700℃에서 sheet resistance가 가장 작게 나타난 것은 결정이 가장 안정한 상태로 생각이 되어지고, 800℃에선 결정 성장에 의해 island가 형성됨에 따라 sheet resistance가 다시 증가한 것으로 보인다.

Fig. 2. Temperature dependence of the sheet resistance

Fig. 3은 Pt 박막의 AFM 사진을 나타내었다. 열처리 온도가 500, 600, 700, 800℃일 때 Rms roughness는 각각 20.31nm, 18.24nm, 17.86nm 그리고 18.29nm였다. 700℃에서 가장 낮은 roughness를 보이는데 이는 sheet resistance 실험 결과와도 일치하였다. 즉 700℃ 부근에서 가장 낮은 저항과 양질의 박막을 얻을 수 있었다. 따라서 본 실험의 annealing 온도를 700℃로 고정하였다.

(a) 500℃                               (b) 600℃

(c) 700℃                              (d) 800℃

Fig. 3 AFM image of Pt thin film with various annealing temperature

Fig. 4는 lift-off법을 이용하여 제조된 RTD와 그 온도-저항 특성을 보여준다. 그림은 제조된 소자의 저항이 온도에 따라 선형적으로 변하는 것을 보여준다. 측정된 온도-저항 값으로부터 TCR을 계산하였는데, TCR 값은 0℃와 100℃ 사이의 저항변화 상태 값으로 정의된다4). 본 제작된 RTD의 TCR값은 3.38×103ppm/℃로 산업규격인 3.85×103ppm/℃에는5) 못 미쳐 앞으로의 해결과제로 남아있다.

(a)                                         (b)

Fig. 4. The fabricated RTD and its resistance-temperature variation

결론

Lift-off법을 이용하여 온도-저항소자인 RTD를 제작하였다. Sputtering에 의해 증착 된 Pt는 700℃로 열처리를 하였을 때, 가장 낮은 저항과 양질의 박막이 되었다. 제작된 소자의 저항값은 온도의 변화에 선형적으로 변하였으며, TCR 계수는 3.38×103ppm/℃였다.

참고문헌

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

2) George G. Collins, Cary W. Halsted, □Process Control of the Chlorobenzene         Single-step Liftoff Process with a Diazo-Type Resist□, IBM J. Res. Develop. 26,     No. 5, 1982

3) R. M. Halverson, M. W. Maclntyre and W. T. Motsiff, □The Mechanism of         Single-step Liftoff with Chlorobenzene in a Diazo-Type Resist□, IBM J. Res.         Develop. 26, No. 5, 1982

4) Diehl, W. and Koehler, W., □Resistance Element for Control in Science and         Industry□, American Institute of Physics, New York, 1982

5) International Electrotechenical Commission, □Industrial Platinum Resistance Thermo-     meter Sensor□, Publication 751, Bureau Central de la Commission                  Electrotechenique Internationale, Geneva, 1983, Amendment No. 1, 1986