Micro flow sensor using polycrystalline silicon carbide

다결정 실리콘 카바이드를 이용한 마이크로 유량센서

이지공·Man I Lei·이성필* ^† ·Srihari Rajgopal·Mehran Mehregany

Micro flow sensor using polycrystalline silicon carbide

Jigong Lee, Man I Lei, Sung Pil Lee* ^† , Srihari Rajgopal, and Mehran Mehregany Abstract

A thermal flow sensor has been fabricated and characterized, consisting of a center resistive heater surrounded by two upstream and one downstream temperature sensing resistors. The heater and temperature sensing resistors are fabricated from nitrogen-doped(n-type) polycrystalline silicon carbide(poly-SiC) deposited by LPCVD(low pressure chemical vapor deposition) on LPCVD silicon nitride films on a Si substrate. Cavities were etched into the Si substrate from the front side to create suspended silicon nitride membranes carrying the poly-SiC elements. One upstream sensor is located 50 µ m from the heater and has a sensitivity of 0.73 Ω /sccm with ~15 ms rise time in a dynamic range of 1000 sccm. N-type poly-SiC has a linear negative temperature coefficient and a TCR(temperature coefficient of resistance) of ⁻ 1.24 ^× 10

/

o

C from room temperature to 100

C.

Key Words : flow sensor, silicon carbide, thermistor, MEMS

1. 서 론

최근 MEMS(micro-electro mechanical systems) ^기술

의 발달과 함께 마이크로 유량센서의 연구가 활발하게 연구되고 있다 . ^{이 형태는 온도 변화를 감지하여 유체}

의 흐름을 계산하는 방식으로 센서와 히터의 크기가 극 소형화되고 거리가 가까워져 매우 빠른 응답속도를 얻을 수 있고 , ^{낮은 전력소모를 실현할 수 있는 장점이}

있다 . 그러나 지금까지 발표된 MEMS 기술을 이용한

마이크로 유량센서들은 실리콘을 기반으로 한 것으로 제한된 동작온도와 내충격성 및 내화학성의 취약점 등

의 문제가 여전히 남아 있다 ^[1,2] . 비단 센서분야 뿐만

아니라 다른 여러 반도체소자 분야에서도 실리콘의 이 러한 한계를 넘을 수 있는 새로운 물질을 찾고자 하는 것은 주된 관심사이다 . 실리콘 카바이드 (SiC) 는 큰 밴 드갭을 가진 물질로서 , 매우 높은 동작온도 , 높은 경도 ,

높은 열전도율 그리고 물리적 화학적 안정성을 지니고

있어 실리콘을 대체할 새로운 반도체 소재 중의 하나 이다 ^[3] . 이 물질은 최근 우주선 및 항공기 엔진 등 열 악한 환경과 고온 동작용 센서 및 소자 응용소재로 매 우 각광받고 있으나 아직도 해결해야 할 문제가 많이 남아 있다 . ^{그 중에서도 가장 주된 문제점은 결정성 기}

판을 얻기 어렵고 가격 또한 매우 비싸다는 것이다 . 대 안으로 실리콘 카바이드 결정 기판 대신 실리콘 기판 위에 에피텍셜법으로 성장된 SiC ^{박막을 사용하는 방}

법이 있으나 , 우수한 질의 박막을 얻기가 어렵다 ^[2] . 특 히 고온의 성막 조건 등으로 인해 고전적인 반도체 공 정과 접목하는데 많은 제약이 따른다 ^[4] .

본 연구에서는 기존의 반도체 공정 및 MEMS 공정과 접목이 가능한 LPCVD(low pressure chemical vapor deposition) ^{방식으로 성막된 다결정} SiC ^{박막을 이용}

해 칼로리메트릭 마이크로 유량센서를 제작하였다 .

제작된 유량센서는 상업용 센서와 동일한 조건 하에서 감도와 응답 특성을 측정하였다 .

2. 제작 및 측정 시스템

마이크로 유량센서는 소가 크기가 2.5 × 2.5 mm ² 로

Fig. 1(a) ^{와 같이 두 개의 상류센서} (upstream; up1, up2)

Electrical Engineering and Computer Science, Case Western Reserve University

*

(Department of Elcetronic Engineering, Kyungnam University)

†

Corresponding author : [email protected]

(Received : February 4, 2009, Accepted : March 10, 2009)

와 하나의 하류센서 (downstream; down1) 가 히터를 중 심으로 각각 50 ^µ m, 320 ^µ m ^및 50 ^µ m ^{떨어진 위치에}

놓이도록 설계하였다 . 시뮬레이션 결과에 의하면 하류 센서는 선형영역 내에서 선형성은 우수하나 선형영역 구간이 짧고 히터와의 거리가 멀어질수록 감도가 급격 히 낮아지므로 상대적으로 감도가 높은 상류에 두 개 의 센서를 설계하였다 . 히터는 폭이 160 µ m, 유효길이

가 1000 µ m 이며 센서의 폭은 20 µ m 로 총 길이가

3000 µ m 이다 . 제작공정을 설명하면 , 먼저 N 형 (100)

실리콘 기판 (~500 ^µ m) ^{위에 약} 0.3 ^µ m ^{의 폴리실리콘}

을 희생층으로 증착한 후 , 낮은 스트레스 (low stress) 를

지닌 질화실리콘을 덮고 히터와 센서물질인 다결정

SiC ^를 0.5 ^µ m ^{두께로 증착하였다} . ^다결정 SiC ^{는 자체}

고안된 LPCVD(low pressure chemical vapor deposi- tion) 법으로 증착하였으며 , 반응가스는 dichlorosilane

과 acetylene 을 사용하였고 , 도핑을 위해서는 암모니아

가스를 사용하였다 . 이때 증착온도는 900 ^o C, 두께는

1 µ m, 그리고 도핑 농도는 10 ²⁰ cm ⁻³ 였다 .

본 연구에서 사용된 다결정 SiC 는 결정성 실리콘에 서 위에서만 자라는 기존의 에피텍시 단결정 SiC 에 비 해 산화실리콘 및 질화실리콘막 위에도 성막이 가능하 다 . 뿐만 아니라 대부분의 습식 에칭용액에 높은 선택 도를 가지므로 공정상에서 우수한 안정성 및 유연성을

가진다 . SiC ^{의 박막 형성방법 및 그 조건에 관해서는}

선행된 연구에 상세히 나타나 있다 ^[3-5] . 상부 절연막으

로는 0.4 µ m 의 낮은 스트레스 질화실리콘을 증착하였 다 . ^{질화실리콘을 증착한 이유는 질화 실리콘이 압축}

응력을 가지므로 이후 증착되는 실리콘 산화막의 높은 인장응력을 상쇄하여 기계적 내구성을 높여주기 때문

이다 ^[6,7] . ^{금속층을 올리고 보호막으로} 0.25 ^µ m ^의

LTO(low temperature oxide) 를 증착한 후 RIE(reactive

ion etch) ^{기법으로 희생층까지 에칭홀을 만들고} ,

TMAH 로 희생층을 제거하였다 . 그 후 TMAH 의 비등 방성 에칭으로 약 100 µ m 깊이의 마이크로 채널을 형 성하였다 .

기체의 유속 측정 장치는 온도와 압력에 매우 민감 하므로 특별한 보정 기술이 필요하며 , 빠른 응답특성 측정을 위해 정밀한 장치의 설정이 매우 중요하다 .

Fig. 2 는 본 연구에 사용된 측정 장치의 개략도이다 . 모

든 장치들은 컴퓨터를 통해 제어되며 , 통신과 측정의 지연시간에 영향을 받지 않도록 설계하였다 . ^{유속 측정}

을 위해 매질은 순수 질소가스를 사용하였고 , 두 개의

MFC(mass flow controller: MKS 1179A) 를 통해 1000

sccm ^{까지 유량을 제어할 수 있도록 하였다} . ^{주 신호는}

휘스톤 브리지 회로를 거쳐 16 bit 의 분해능과 1.25

MS/s 의 빠른 샘플링 속도를 가진 데이터 수집기 (NI

USB-6259) 를 통해 컴퓨터로 전송된다 . 제어 시스템은

Fig. 1. Micro flow sensor: (a) layout and cross-section of

line A-B, and (b) photograph. ^{Fig. 2.} A block diagram of the measurement system.

랩뷰 (ver. 8.5) 를 사용하였다 . 비교를 위해 상업용 유속

센서 (D6F-W, Omron) ^{를 항온챔버 내의 동일한 유체라}

인에 연결하고 동시에 신호를 읽어 들였다 . 채널 간 지 연시간은 1 µ s 이하로 무시할 수 있다 . 센서 칩은 단면 이 0.3 × 4 mm ² 인 유체채널에 노출되어 있으며 , 비교를 위해 상업용 센서와 동일하게 설계된 패키지에 삽입되 었다 . 모든 측정은 실온에서 측정되었으며 온도 편차는

2 ^o C 미만이었다 .

3. 결과 및 고찰

센서의 특성 분석에 앞서 히터 및 센서의 온도에 따 른 저항특성을 분석하기 위해 먼저 TCR(temperature coefficient of resistance) 측정을 하였다 (Fig. 3 및 4).

본 실험에 사용된 n 형 다결정 SiC 는 NTC(negative temperature coefficient) ^{특성을 나타내었다} . ^{반도체 소}

자로 사용되는 대부분의 물질이 PTC(positive tempera- ture coefficient) 특성을 지니므로 상용 반도체 서미서

터는 소자 물질의 영향을 줄이기 위해 NTC ^{타입을 주}

로 사용한다 . Up1, up2 및 down1 세 센서는 약간의 오 프셋 편차를 가지나 기울기는 거의 평행하게 나타났다 .

상온에서 약 100 ^o C 까지 매우 선형적인 특성을 나타내 므로 , 저온용 온도센서로의 활용가치가 매우 높다 . Fig.

4 ^{에서 히터의} TCR ^{특성 또한 센서부와 유사하나} 5 V

미만의 낮은 동작전압을 적용하기 위해 저항을 1 k Ω 정도로 낮게 설계하였다 . Up1, up2, down1 및 히터의

TCR ^{값은 각각 −} 1.24 ^× 10 ^-3 / ^o C, ⁻ 1.23 ^× 10 ^-3 / ^o C, ⁻ 1.20 × 10 ⁻³ / ^o C 및 − 1.14 × 10 ⁻³ / ^o C 이다 .

Fig. 5 는 제작된 히터의 안정성을 알아보기 위해 유

량에 따른 저항 변화를 측정한 것이다 . ^{저항은 전압으}

로 표시하였으며 , 인가 전류를 변화시켰다 . 인가된 전

류가 2 mA 에서 4 mA 로 증가할수록 평균 저항은

1.31 k ^Ω에서 1.24 k ^{Ω으로 약} 5% ^{감소하였다} . ^유량이

증가할수록 히터의 열 손실로 인해 저항이 증가하고 이로 인해 약간의 전압 상승이 나타났으나 그 정도는 매우 미미하였다 . ^{전압 변동의 표준편차} (STD) ^{값을 기}

준으로 가장 큰 폭을 가지는 경우는 인가 전류가

4 mA( 평균 전압 : 4.97 V) 일 때 약 8.6 mV 정도로

0.17% ^{미만으로 나타났다} . ^{이는 정전류} (constant cur-

rent) 제어법이 적용 되었으나 적용된 온도 및 전류범

위 내에서는 유량에 따라 히터의 온도가 일정한 정온 제어 (constant temperature) ^{라고도 할 수 있다} .

Fig. 6 은 유속과 전류변화에 따른 up1 센서의 저항특

성을 나타낸 것이다 . ^{히터 전류가} 1 mA ^에서 5 mA ^로

증가할수록 기저저항은 약 400 Ω /mA 의 비율로 감소 하였다 . MFC 로 제어된 유량은 0 sccm 에서 1000 sccm

까지 변화시켰지만 , Fig. 6 ^은 500 sccm ^{까지의 변화만}

을 나타낸 것이다 . 인가전류가 1 mA 인 경우 유량변화

Fig. 3. TCR characteristics of SiC thermistors: (a) up2, (b) down1, and (c) up1.

Fig. 4. TCR characteristics of SiC heater.

Fig. 5. Voltage stability of SiC heater as a functions of

flow rate.

에 대해 저항 변화가 매우 적게 나타나지만 , ^{인가 전류}

가 2 mA 이상부터는 유량이 증가할수록 저항이 뚜렷

하게 증가하는 특성을 나타내었다 . 전류가 증가할수록 저항 변화는 커지지만 전력소모 역시 증가한다 . ^인가전

류가 5 mA 인 경우 약 30 mW 로 감도와 측정 범위를

고려한다면 상업적으로도 적용이 가능하다 . 빠른 응답 특성분석을 위한 다채널 측정 장치에서는 높은 대역폭 을 허용함으로서 많은 고주파 노이즈의 유입이 불가피 하나 실제 응용에서는 고역차단 필터를 통해 잡음의

영향을 줄일 수 있다 . Up2 ^와 down1 ^{도 동일한 조건에}

서 동시에 측정되었다 . 상대적으로 거리가 먼 up2 도

up1 ^{과 유사한 특성을 나타내었으나 저항의 변화가 전}

체적으로 작게 나타났으며 , down1 은 200 sccm 까지는 저항이 감소하다가 보다 높은 유량에서는 다시 증가하 는 특성을 나타내었다 . ^{저항의 감소구간은 질소가스가}

히터로부터 열에너지를 센서로 전달하기 때문이며 , 높 은 유량에서 다시 증가하는 이유는 질소가스의 빠른 유속으로 인해 센서와 히터 모두가 냉각되므로 결과적 으로 저항이 증가하게 된다 . 이는 자체 수행된 시뮬레 이션 결과 및 보고된 실험결과와도 잘 일치한다 ^[8,9] .

Fig. 6 ^{에서 얻은 결과를 바탕으로} up1, up2 ^및

down1 의 유량 변화에 따른 저항 측정 결과를 Fig. 7 에

나타내었다 . 히터와의 거리가 50 µ m 인 up1(Fig. 7a) 은

전체 측정 범위인 500 sccm 까지 유량이 증가함에 따라

S 곡선을 나타내며 , 100~300 sccm 구간에서는 비교적

선형적인 특성을 나타내었다 . Fig. 7(b) ^{에서 보는 바와}

같이 up2 는 히터로부터 320 µ m 떨어져 있으며 , 낮은 유량에서는 비교적 선형이지만 300 sccm 이상에서는 그 기울기가 점차 감소하였다 . ^{전체적으로} up2 ^는 up1

에 비해 저항 변화폭은 감소하였다 . 이는 히터와의 거

리가 멀기 때문에 온도 변화폭이 줄어들기 때문이다 .

실제 응용에서는 유량 측정 범위와 출력 특성에 따라 Fig. 6. Flow sensing characteristics of an upstream (up1)

thermistor as a function of applied current on the heater.

Fig. 7. Resistance vs. flow rate curves with different

constant heating sources: (a) up1, 50 µ m), (b) up2,

320 ^µ m), and (c) down1, 50 ^µ m from heater,

respectively.

최적화된 거리가 선택될 수 있다 . Down1 은 전술한 바 와 같이 일정 범위 내에서는 유량이 증가할수록 온도 가 증가하게 되나 특정 범위 이상에서는 오히려 온도 가 감소하게 된다 . 이 변화의 정점까지를 선형영역이라 부르고 , 하류센서의 최대 측정 범위가 된다 . 일반적인 경우 하류센서의 선형영역은 매우 낮으며 , 이를 확장하 는 방법이 다양하게 제안되고 있다 ^[1] . 기본적으로는 상 류센서와 하류센서의 저항변화 차로서 선형성도 개선 되고 어느 정도 측정범위도 증가시킬 수 있다 . 그러나 그 이상의 측정범위가 필요할 시에는 거리가 다른 여 러 개의 센서를 사용하는 등 다양한 기술이 필요하게 된다 ^[10] . 본 연구에 의하면 3~5 mA 의 전류에서 200

sccm ^{까지 매우 선형적인 감소를 나타내며} , 200~500

sccm 까지는 그 변화정도는 작지만 조금씩 다시 증가하 는 특성을 나타내었다 . 하류센서 역시 up1 에 비해 전 체적인 변화 정도는 낮게 나타났다 . ^{본 연구의 결과에}

서 얻은 선형 영역은 대략 200~300 sccm 부근으로 마

이크로 유량센서로서는 비교적 높은 수치이다 . 세 센서 의 감도 및 전기적 특성을 Table 1 ^{에 요약하였다} .

Fig. 8 은 up1 의 응답특성을 측정하기 위해 기준 상용

센서 및 MFC ^{의 응답특성과 비교하여 나타낸 것이다} .

공급된 전류는 4 mA 이며 , 약 4 초간 120 sccm 의 질소

가스를 불어 넣었다 . MFC 는 설정 전압이 출력된 후

약 380 ms ^{후 실제 유량을 감지하였는데} , ^이는 MFC

액추에이터 , 백금 온도센서 및 내부 시스템의 고유 지 연시간 때문이다 . 전체저항 변화의 10% 에서부터 90%

까지 도달할 때 걸리는 시간을 응답시간으로 정의할 때 , 본 연구에서 제조된 센서의 응답특성이 약 15 ms

로 가장 빨랐으며 , 상업용 기준센서는 약 20 ms 그리 고 MFC ^는 180 ms ^{로 나타났다} . MFC ^{의 경우 내부 백}

금 온도센서의 부피가 커 높은 열용량으로 인해 낮은 응답속도를 가질 수밖에 없다 . 또한 상업용 센서는 Si/

Al ^{접합들로 이루어진 열전변환소자} (thermopile) ^형태

로 , 멤브레인 위 , 아래가 열전변환소자에 의해 격리되 어 있으며 , 에칭공정을 위해 만들어진 작은 구멍들로만 연결이 되어 있다 . 히터로부터 전도에 의한 열전달을

막기 위해 멤브레인 구조를 가지기는 하였으나 멤브레 인 아래쪽으로 층류 (laminar flow) ^{를 형성할 만큼 긴}

유체채널이 없다 . 이로 인해 유체로부터의 열 전달은 센서 표면에서만 일어나므로 응답특성이 느린 것으로 사료된다 . ^{그러나 본 연구에서 제조된 센서는} SiC ^로

구성되어 있어 알루미늄에 대해 두 배 이상 , 폴리실리 콘에 대해 약 10 배 이상의 빠른 열전도율을 가지므로 ,

물질 고유의 시상수가 매우 낮다 . ^{또한 센서와 히터 아}

래쪽의 균일한 폭과 깊이를 가지는 긴 마이크로 채널 로 인해 충분한 층류를 형성하여 유체의 열전달이 센 서 표면과 아래쪽 모두에서 일어나므로 보다 빠른 응 답특성을 가질 수 있다 .

4. 결 론

MEMS ^{및 표준 반도체 공정을 이용하여 높은 적용}

성을 가지는 다결정 SiC 마이크로 유량센서를 제작하

였다 . 사용된 실리콘 카바이드 히터는 열적으로 매우 안정한 특성을 나타내었고 , ^{정 전류동작에서 유량 변화}

가 있어도 온도는 크게 변하지 않았다 .

상류센서 up1 과 up2 는 유속의 증가에 따라 저항이 증가하였고 , ^{센서에 가까운} up1 ^{의 저항변화폭이 더욱}

Table 1. Sensitivity of sensors according to heater power (mA) 전류 (mW) ^전력

~500 sccm Up1 ( Ω /sccm)

~500 sccm Up2 ( Ω /sccm)

Down1

~200 sccm ( Ω /sccm)

Down1 200~500 sccm

( Ω /sccm)

2 5.24 0.1608 0.0530 N/A N/A

3 11.5 0.3240 0.1102 -0.2110 N/A

4 19.8 0.5260 0.1870 -0.2485 0.0950

5 30 0.7266 0.2840 -0.3615 0.1740

Fig. 8. Response of an upstream thermistor (up1), a

reference commercial flow sensor and MFC

reading.

현저하였다 . 4 mA 의 히터전류에서 약 20 mW 의 전력 이 소모되었으며 , ^이때 up1 ^{의 감도는} 0.526 ^Ω /sccm ^으

로 나타났다 . 하류에 위치한 센서 down1 은 유량의 증

가에 따라 200 sccm 까지는 저항이 감소하였으나 , 이후

부터는 다시 증가하는 특성을 나타내었다 . up1 의 상승 및 하강 응답속도는 각각 15 ms, 20 ms 였으며 , 비교된

MFC 및 상용 유속센서보다 빠르게 동작하였다 .

본 연구의 결과 다결정 SiC 는 유속센서의 좋은 후보 물질이 될 수 있으며 , 물리적·화학적 안정성 및 높은 동작 온도를 고려한다면 상온용 센서뿐 아니라 실리콘 센서가 사용될 수 없는 고온 및 열악한 환경의 활용에 많은 장점을 보여 줄 것으로 기대된다 .

감사의 글

이 논문은 2007 ^{년 정부} ( ^{교육인적자원부} ) ^{의 재원으로}

한국학술진흥재단의 지원을 받아 수행된 연구임 ( 기초 과학 분야 : KRF-2007-357-D00156).

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이 지 공

• 2003 년 경남대학교 전자공학과 ( 공학석사 )

• 2008 년 경남대학교 대학원 ( 공학박사 )

• 2008 년 ~ 현재 Case Western Reserve University 연구원

• 관심분야 : 마이크로센서 , MEMS, 센서시 스템 , 반도체 센서 모델링

Man I Lei

• 2003 년 University of California 재료공 학과 (B.S.)

• 2006 년 University of California 재료공 학과 (M.A.)

• 2006 년 ~ 현재 Case Western Reserve University 재료공학과 박사과정

• 관심분야 : SiC MEMS flow sensor in

harsh environments

이 성 필

• 1989 년 경북대학교 전자공학과 ( 공학박사 )

• 1988 년 ~ 현재 경남대학교 전자공학과 교수

• ^관심분야 : ^{센서 재료 및 시스템} , ^반도체

센서 , MEMS

Mehran Mehregany

• 1986 년 MIT 전기공학과 (M.S.)

• 1990 년 MIT 전기공학과 (Ph.D.)

• 1990 년 ~ 현재 Case Western Reserve

대학교 전기공학과 교수

• 관심분야 : the intersections of MEMS/

NEMS, semiconductor SiC and ICs

Srihari Rajgopal

• 1999 년 Case Western Reserve Univ.

전기컴퓨터공학 (M.S.)

• 1999 ^년 ~2003 ^년 Xactix and FLXMicro, inc. 연구원

• 2003 ^년 ~ ^현재 Case Western Reserve Univ.

재료공학 박사과정 , Full-time researcher

• 관심분야 : Si/SiC fabrication processes

and sensors(accelerometers, microvalves,

flow sensors and neural electrodes)