기판의 변화에 따른 온도센서의 감도 특성 연구

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http://dx.doi.org/10.3938/NPSM.68.467

Study on the Sensitivity of a Temperature Sensor with a Substrate

Taekyun Yoo

Department of Nano-Medical Devices Engineering, Hallym University, Chuncheon 24252, Korea

Doo Jae Park

Department of Physics, Hallym University, Chuncheon 24252, Korea

Moongyu Jang

^∗

Department of Nano-Medical Devices Engineering and Department of Materials Science and Engineering, Hallym University, Chuncheon 24252, Korea

(Received 23 January 2018 : revised 14 February 2018 : accepted 2 March 2018)

In this study, a temperature sensor was fabricated on a silicon-on-insulator (SOI) substrate by using a semiconductor and microelectromechanical systems (MEMS) process to improve the per- formance of the temperature sensor. For the fabrication of the silicon membrane substrate, a wet etching method using a KOH solution was utilized. The sensitivity and the response time of the temperature sensor fabricated on a silicon membrane were significantly improved compared to those for a temperature sensor manufactured on a slide glass. The thermal response characteristics were analyzed by using Fick’s second law modeling. The reaction speed of the sensor on a silicon membrane was improved by about a factor of five and its sensitivity by a factor of four compared with the values for the sensor on a slide glass substrate.

PACS numbers: 07.07.Df, 82.39.Wj

Keywords: Temperature sensor, MEMS process, KOH wet etching, Sensitivity

기판의 변화에 따른 온도센서의 감도 특성 연구

유태균

한림대학교 나노-메디컬 디바이스 공학과, 춘천 24252, 대한민국

박두재

한림대학교 응용광물리학과, 춘천 24252, 대한민국

장문규

^∗

한림대학교 나노-메디컬 디바이스 공학과, 융합신소재 공학과, 춘천 24252, 대한민국 (2018년 1월 23일 받음, 2018년 2월 14일 수정본 받음, 2018년 3월 2일 게재 확정)

본 연구에서는 온도 센서의 성능 개선을 위하여 반도체 및 미세전자기계시스템 (microelectromechanical systems, MEMS) 공정을 이용하여 실리콘 온 인슐레이터 (silicon on insulator, SOI) 기판상에 온도 센 서를 제작하였다. 실리콘 멤브레인 기판의 제작은 KOH 수용액을 이용한 습식 식각 방법을 사용하였다.

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I. 서 론

최근에 다양한 분야에서 미세한 온도 변화를 감지하는 것을 필요로 함에 따라 온도 센서의 성능 개선이 필요하다 [1]. 예를 들어, 주로 이용되는 분야인 생물 분야에서 세포의 상태 변화에 따른 작은 온도 변화 감지가 필요하다 [2,3].

생물분야에서는 온도뿐만 아니라 다른 전기적인 방법인 전기적 셀-기판 임피던스 시스템 (electrical cell-substrate impedance system, ECIS) 분석법 등을 도입하여 세포의 변화를 관찰하기도 한다 [4–6]. 이러한 생물-임피던스 측 정법 (bio-impedance measurement) 은 기존의 선별 방법에 비해 많은 이점을 갖고 있어서 수년에 걸쳐서 개발됐다.

특히 진료 센터나 개발도상국 등 여러 요소에서 사용할 수 있는 즉각적인 결과를 제공할 수 있다는 것 또한 생물-임피 던스 측정법의 이점이라 할 수 있다 [7]. 또한, 세포 기반의 바이오센서는 높은 감도와 처리량을 필요로 하므로 이에 대한 연구가 요구된다. 다른 분야에서도 미세한 온도 변화 감지가 필요할 시 고감도 온도센서가 많이 사용되고 있다 [3].

본 논문에서 고감도 온도 센서를 제작하는 데 있어서 센서 물질의 저항 온도 계수 (temperature coefficient of resistivity, TCR) 값을 이용하여 온도가 올라감에 따라 저 항이 선형으로 증가하는 안정적인 물질인 백금을 사용하였 다 [8,9]. 또한, 반도체 공정으로 박막 형태의 전극을 증착 하기 위해서는 높은 일함수를 갖는 물질이어야 한다. 전극 패턴을 형성하기 위해 사용된 백금의 일함수는 5.12∼ 5.93 eV로 알려져, 반도체 공정을 통해 안정적으로 전극 패턴을 형성할 수 있다. 정밀한 온도 센서를 만들기 위한 다른 방법 은 기판의 두께를 얇게 만드는 것이다 [10,11]. 얇은 기판을 만들기 위하여 45% KOH 수용액을 사용하여 습식 식각을 진행하였다 [12,13]. Fig. 2와 같은 45% KOH수용액, 70

◦C, 80 분당 회전수 (revolutions per minute, RPM) 젓기 (stirring) 조건에서 시간에 따라 실리콘 웨이퍼가 얼마나 식각되는지 알아보기 위하여 먼저 식각률을 측정한 이후 원하는 두께가 되도록 시간에 맞춰 식각을 진행하였다.

전체 공정은 미세전자기계시스템 (microelectromechanical systems, MEMS) 공정을 통하여 진행되었으며, 기판을 얇

∗E-mail: [email protected]

Fig. 1. (Color online) Schematic diagram of suspended temperature sensor fabrication process.

게 만든 이후 온도가 올라감에 따라 저항이 선형으로 증 가하는 백금을 사용하여 온도 센서의 패턴을 형성하였다 [14]. 백금 패턴을 증착한 이후 다른 센서들과 특성을 비교해 봄으로써 센서의 특성을 분석해 보았다.

II. 고감도 온도센서의 제작과정

Fig. 1은 MEMS 공정을 통한 멤브레인 타입 기판의 제 작과정의 모식도이다. Fig. 1(a) 는 회색 SOI 기판 양쪽에 파란색 Si3N4 0.2 µm를 도포한 웨이퍼를 세정 (cleaning) 공정을 통하여 기판의 유기물 및 금속 이물질을 제거하고 공정을 시작하기 전의 상태이다. 이 공정은 반도체 공정에 서 잘 알려진 방법으로 유기물 및 금속 이물질 제거를 위해 서 먼저 아세톤, 메탄올에 샘플을 담가 각각 3분씩 초음파 세척기로 처리를 하여 유기물을 제거한다. 이후 황산과 과산화수소수를 1:1비율로 섞어 황-과산화수소수 혼합물 (sulfur peroxide mixture) 을 제조하여 이후 10분간 담가 웨이퍼 위의 금속 이물질을 제거하였다. 세정 공정이 끝나 면 Fig. 1(b) 와 같이 양성 감광액 (positive photoresist) 을 스핀 코팅한 후, Fig. 1(c) 에서 리소그래피 공정을 통하여 원하는 형태의 패턴을 형성하고 현상 과정 (develop) 을 통해 이후 KOH 식각할 부분을 드러내게 한다. Fig. 1(d) 에서 반응성 이온 식각 (reactive ion etching) 공정을 통하여 0.2 µm의 Si3N4층을 제거함으로써 실리콘 층을 보이게 한다.

RIE공정에서는 SF6, O2가스를 각각 5, 1 sccm을사용하여 50 mtorr조건에서 25분간 공정을 하였다. Fig. 1(e) 에서

(3)

Fig. 2. Etch rate of bulk silicon in 45% KOH solution.

KOH를 사용한 습식 식각은 Fig. 2의 식각률을 참조하여 기판을 원하는 두께로 얇게 만든다. Fig. 2는 기판을 원하는 두께로 만들기 위해 시간에 따라 실리콘 기판이 얼마나 식 각되는지 실험을 통해 나타낸 그래프이며 이 그래프는 각 시 간대별로 주사 전자 현미경 (scanning electron microscope, SEM) 을 사용하여 식각된 두께를 측정하여 나타내었다.

KOH에 대한 실리콘의 식각비율은 70^◦C, 80 분당 회전수 젓기조건에서 약 50시간까지 선형적인 특성을 가지며 11.9 µm/h의 식각률을 보였다. 본 연구에서는 10 µm두께로 실리콘을 식각한 기판을 사용하였다. 이러한 기판을 제작한 이후 Fig. 1(f) 와 같은 백금 패턴을 증착하여 고정밀 온도 센서로 사용하였다. 온도 센서 패턴은 섀도우 마스크를 사용한 스퍼터링 (sputtering) 공정을 통하여 백금 박막을 증착하였다. 백금 박막은 500 Å의 두께로 증착하고, 이후 전극패턴의 전기적 특성 향상을 위하여 열처리 공정을 하 였다. 열처리는 400 ^◦C에서 1시간 동안 진행하였다 [1].

III. 온도 센서의 성능 평가

실리콘 막 기판 특성 평가를 위해 슬라이드 글라스, 벌크 실리콘, 실리콘 멤브레인 이 세 가지 기판을 사용하여 각 기판의 특성을 평가하였다. 특성 평가를 위하여 온도 컨 트롤 프로브 스테이션 (temperature control probe station - ETCP2000, ecopia) 으로 외부 온도 변화를 조절하고 전 압 인가를 위하여 멀티미터 (Multimeter - 2000 Series, Keithley) 를 사용하였고 온도 변화를 측정하기 위하여 소 스 미터 (SourceMeter – 2400, Keithley) 를 사용하였다.

먼저 Fig. 3(a) 과 같이 슬라이드 글라스 위에 섀도우 마스 크를 사용한 스퍼터링 공정으로 다음과 같은 패턴을 증착하

Fig. 3. (Color online) schematic diagram of temperature sensor patterns for (a) slide glass, (b) bulk silicon, and (c) silicon membrane.

고 한쪽 패턴에서 전압을 인가하여 열을 발생시키고 다른 한쪽 패턴에서는 저항을 측정하여 그 변화를 관찰하였다.

마찬가지로 Fig. 3(b) 와 Fig. 3(c) 에서도 동일하게 한쪽 패턴에서는 전압을 인가하고 다른 한쪽 패턴에서는 저항을 측정하였으며 가로, 세로 1 cm인 기판을 사용하였기 때문에 슬라이드 글라스와 비슷한 형태의 크기에 맞는 다른 패턴을 사용하였다.

Fig. 4(a), (b) 및 (c) 는 슬라이드 글라스, 벌크 실리콘, 실리콘 멤브레인에 각각 전압을 10, 4, 4 V 인가해 주었을 때 온도의 변화를 측정한 그래프 이며, 그래프 피팅은 열 확산 법칙인 Fick’s second law를 사용하여 유도되는 식 (1), 식 (2) 를 사용하였다 [10,11].

β(t) = T0·(

1− e⁻^τ^t)

(1)

β(t) = T₀· e⁻^τ^t (2) τ = ρc

κA (3)

여기서 β(t) 는 시간에 따른 온도의 변화를 나타낸다. 이 는 식 (4), (5) 를 사용하여 저항 온도 계수 (temperature coefficient of resistance) 값(α)을 구하면 저항의 변화(∆R) 를 통하여 온도의 변화 (∆T ) 를 알 수 있다. 저항을 이용한 온도 변화를 정량적으로 알기 위하여 온도 컨트롤 프로브 스테이션을 사용하여 진공 상태에서 센서에 온도 변화를 주고 각 온도별로 센서의 저항을 측정하여 온도에 따른 저항 값의 선형적인 그래프를 얻는다. 온도 변화는 인체의 온도 범위를 고려하여 34∼ 40^◦C에서 1^◦C 단위로 측정하였다.

(4)

Fig. 4. (Color online) Resistance variation graph. (a) On slide glass at 10 V, (b) on bulk silicon at 4 V, and (c) on silicon membrane at 4 V.

각 센서의 저항 온도 계수 값 (α) 을 알기 위하여 식 (4), (5) 를 사용하였으며 이는 저항 변화에 따른 ∆R 을 온도 변화인

∆T로 변환할 수 있는 저항 온도 계수를 나타내는 식이다.

이 식을 사용하여 온도 센서의 저항 변화 분석을 통한 Table 2의 기판별 저항 온도 계수 값을 얻었다. 슬라이드 글라스 의 저항 온도 계수 값은 1837.1 ppm/K이며, 이는 1 ^◦C당 평균적으로 3.35 Ω 이 변한다는 것을 알 수 있는 지표이다.

벌크 실리콘과 실리콘 멤브레인의 저항 온도 계수 값은 각각 1313.9, 1575.6 ppm/K이다. 이는 각각 1^◦C당 평균적으로 0.5 Ω 정도 변한다는 것을 알 수 있으며 저항 온도 계수 값에서는 3개의 기판에서 큰 차이가 없는 것을 알 수 있다.

R = R0(1 + α· ∆T ) (4) α = 1

∆T · ∆R

R₀ (5)

Table 2. TCR value of each substrate.

Substrate TCR [ppm/K]

Slide glass 1837.1

Bulk silicon 1313.9

Silicon membrane 1575.6

Fig. 5. (Color online) Temperature sensitivity depen- dences for slide glass, bulk silicon and silicon membrane, respectively.

Fick’s second law에서 식 (1) 은 일정한 열원이 있을 때 적 용되는 식이고, 식 (2) 는 일정한 열원이 있다가 제거되었을 때 적용되는 식이다. 식 (2) 의 τ (Tau) 값은 식 (3) 와 같이 물질 고유의 값인 밀도 (ρ), 비열 (c), 열전도도 (κ) 와 변수인 A로 나타낼 수 있으며, 변수 A는 열을 가한 곳을 기준으로 열이 거리에 따라 어떻게 분포하고 있나를 나타낸다. 3 차원에서 기판의 두께를 얇게 하면 A값이 증가하고 이에 따라 센서의 반응 속도를 향상시킬 수 있다. 또한 τ 는 Fig. 4 에서와 같이 열을 가한 이후로 온도 변화가 보이지 않을 때 까지의 시간을 나타낸다. 즉 온도를 가해준 이후 그래프가 최고점에 도달할 때까지의 시간인 반응시간을 의미한다.

위와 같은 열 확산법칙을 사용하여 그래프를 피팅 한 결과 Table 1에서 반응시간은 슬라이드 글라스에 비해 실리콘 멤브레인이 약 4배, 민감도는 약 5배 이상 성능이 개선됨을 보았다. 민감도가 의미하는 바는 1^◦C 변화시키는데 필요한 전력 (power) 이 얼마인가를 나타내 주는 지표로서 실리콘 멤브레인이 3.84 mW/K로 1^◦C올리는데 제일 작은 전력이 필요하다는 것을 나타낸다. 민감도 측정은 가해준 전압 쪽 패턴의 저항을 측정하고, 가해준 전압을 알면 옴의 법칙에 의해 P=VI의 관계로부터 전력을 계산할 수 있다. 그러면

(5)

Fig. 5에서와 같이 각 기판의 온도 변화에 따른 전력량은 슬라이드 글라스에서 기울기가 가장 크므로 온도를 변화시 키는데 많은 에너지가 필요하다는 뜻이다. 반대로 실리콘 멤브레인에서의 기울기가 가장 낮으므로 다른 기판에 비해 온도를 변화시키는데 적은 에너지가 드는 것을 알 수 있다.

이는 실리콘 멤브레인 기판이 슬라이드 글라스나 벌크 실 리콘과 비교하여 조그만 온도의 변화를 감지할 수 있다는 것을 의미하므로 민감도가 가장 좋다는 것을 확인하였다.

IV. 결 론

본 연구에서는 온도 센서의 성능 개선을 위하여 세포 실험 에 많이 사용하는 슬라이드 글라스를 대신 반도체 공정에서 주로 사용하는 실리콘 기판을 사용하여 온도 센서를 제작하 였다. Fick’s second law에서 기판의 두께가 얇아지면 온도 센서의 성능이 개선됨을 이용하여 실리콘 기판의 두께를 얇게 하기 위해 많이 알려진 방법 중에 하나인 KOH 습식 식각 과정을 이용하여 실리콘 기판을 10 µm로 얇게 만들 었다. 슬라이드 글라스 기판, 675 µm 두께의 실리콘 기판, 10 µm 두께의 실리콘 기판을 사용하여 온도센서를 제작한 이후 세 가지 기판의 온도 센서로서의 특성을 비교하였다.

그 결과 슬라이드 글라스 기판과 비교하여 10 µm 두께의 실리콘 기판의 반응 속도가 약 5배, 민감도는 약 4배 개선 됨을 보였다. 보다 더 정밀한 온도센서를 만들기 위하여 온도센서 패턴의 형태 이외에 기판의 두께도 센서의 성능 향상에 큰 영향을 준다는 것을 알았고, 이 두 가지 요인의 변화를 통해 센서의 민감도와 반응 속도를 크게 향상 시킬 수 있다.

ACKNOWLEDGEMENTS

This work was supported by Hallym Leading Research Group Support Program of 2017 (HRF-LGR-2017-0001).

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