2.1 마이크로히터 파라미터

마이크로히터의 특성에 영향을 미치는 요소는 크게 초기저항, 구조, 열안정도 및 열전달성이 있다. 금속은 줄 발열의 원리에 따라 그 열량을 계산할 수 있으며 그 양은

H : 줄 열, I : 전류세기, ρ : 고유 비저항, L : 금속선의 길이, A : 전류 진행방향의 금속 면적 등으로 계산할 수 있다.

위 식(1)에서 줄 열에 가장 큰 영향을 끼치는 변수는 금속에 흐르는 전류이다. 동일한 전압을 가할 때 최대한의 전류를 흐르게 하여 열에너지 생성효율을 높이기 위해선 히터의 초기저항을 낮춰야 한다. 또한 동일한 영역에 일정한 온도를 형성하기 위해선 영역 내에 최대한 일정한 패턴의 금속들이 배치되어야 한다. 이러한 점 때문에 금속 마이크로히터의 구조를 형성할 때 대칭성의 구불구불한 형태의 금속 배열을 만드는 것이 안정적인 열전달에 유리하다. 열의 전도도는 온도와 압력에 따라서 그 특성이 다르게 나타나며 등방성 물질의 경우는 스칼라량, 비등방성 물질의 경우에는 텐서량이 된다. 금속은 그중에서도 자유전자에 의해 매우 큰 열전도도를 가지고 있다. 열전도율은 물질의 밀도, 비열, 점도에 영향을 받는다. 물체를 통하여 전달된 열량은

ΔQ : 전도 된 에너지, k : 고유 열전도계수, A : 통과 단면적, ΔT : 양끝 사이 온도차, t: 전도 시간 h: 열전달 거리이다. 열용량은 물질을 1℃ 올리는데 필요한 칼로리를 의미한다. 열용량은 분자간의 결합의 세기에 큰 영향을 받으며 비열이 낮을수록 낮은 온도 차이에 의해서도 열 이동이 용이하다. 일반적으로 금속은 비열이 낮아 빠른 열전달이 가능하며 그 중에서도 백금, 금, 은, 구리는 매우 효율적인 열전달 물질로 알려져 있다. 열용량은

C : 열용량, c_p : 물질의 비열, m : 물질의 질량, △T : 온도변화량. 식(3)의 열용량을 이용하여 물질의 온도변화에 필요한 열에너지(줄)는 다음과 같이 정의된다.

온도상승(△T)은 히터물질의 선택과 그 질량, 저항, 인가전압/전류 등에 의해 결정됨을 알 수 있다. 따라서 마이크로히터가 열을 품고 지속적인 열에너지를 안정적으로 공급해주기 위해선 반응 금속의 질량을 증가시켜야 하며, 이는 소자의 초기 저항 및 조밀한 대칭패턴 형성과 상충되지 않게 적절한 설계가 진행되어야한다. 가스센서의 반응은 수 시간, 혹은 수 일 이상 반응을 한다. 따라서 본 연구에서 제작한 마이크로히터는 오랜 시간동안 전압이 인가되어도 온도의 안정성이 유지됨과 동시에 지속적인 사용을 위해서 금속의 산화 및 변형이 없어야 한다. 따라서 열 계수가 높으면서 녹는점이 매우 높고, 산화가 거의 일어나지 않는 백금을 반응 금속으로 이용한다. 또한 외부의 공기층 차단을 위하여 Si₃N₄ 절연층을 마이크로히터 상단에 덮어준다. Si₃N₄는 온도에 따른 열팽창이 일어나지 않으며, 밀도가 높은 절연체이다. 절연층의 두께는 공기와의 단절을 하면서 동시에 마이크로히터의 열전달을 방해하지 않는 정도의 1.5 μm의 두께를 가진다. 마이크로히터는 금속에 전류가 인가되는 순간 분자의 열용량이 만족될 때까지 열에너지를 품으며 온도가 상승한다. 이때 인가되는 전압에 비례하여 백금 히터에서 생성되는 열에너지가 증가한다. 동시에 주변의 낮은 열에너지를 가진 물질에 열에너지가 전도된다. 열용량이 채워진 분자가 많아짐과 동시에 주변물질들과의 온도차가 낮아져 점차 열평형 상태에 도달한다. 모든 분자가 열용량이 채워지면 전압에 의해 생성되는 열에너지와 주변에 전도되는 열에너지의 총량이 같아지며 포화영역에 도달한다. 주변의 낮은 열에너지를 가진 물질로의 열의 흐름은 주변 매질과의 열전달, 열대류, 열방사의 합으로 알려져 있으며 일정온도를 유지키위한 주변층의 선택이 중요하다. 본 연구에서는 히터에서 많이 사용되고 있는 Si₃N₄ 및 SiO₂ 층을 주변 층으로 선택하였다.

2.2 저항형 온도센서

마이크로히터가 생성한 열에너지는 절연층을 통과하여 표면에 머문다. 이 표면의 온도를 정확하게 측정하기 위하여 백금을 이용한 온도센서를 표면층에 형성한다. 백금은 온도에 따른 열저항 계수가 0.00385로 높아 미세한 온도의 변화에 따라서 선형적으로 그 저항값이 변한다. 동작영역의 표면에서 동일한 온도가 형성되는지 확인하기 위하여 구역을 3개로 나누었고, GND를 공유하는 온도센서를 각 구역에 배치하여 표면에 형성되는 온도를 센서 저항의 확인만으로 정확하게 계산할 수 있게 한다.

2.3 COMSOL 시뮬레이션

그림. 2와 그림. 3은 본 연구에서 설계 비교하는 마이크로히터의 총 4가지의 다른 구조를 나타낸다. 단일 금속라인으로 구성된 마이크로히터(Type 1), 얇고 높은 전류가 흘러 빠르게 열용량이 충전되는 금속라인을 기존의 금속라인과 평행하게 배치하여 빠른 상승시간과 높은 열전달을 가능하게 한 히터(Type 2), 동작구역 측부의 낮은 저항의 금속선에서 병렬형태로 금속선이 배열되어 높은 열용량을 기대한 병렬형 히터 두 가지가 있다(Type 3, Type 4). 그림. 3은 위의 변수들을 고려하여 본 연구에서 제안한 4가지 구조를 가진 마이크로히터의 COMSOL 시뮬레이션 결과이다. 쿼츠 기판위에 Pt를 이용하여 다양한 구조의 히터를 설계하였으며 그 위에 Si₃N₄가 1.5μm 위치시켰다. 배경의 매질은 공기이며 주변의 온도는 상온으로 설정되었다. 외부로부터 전압/전류가 인가되었으며 시뮬레이션 상으로 단일 금속선으로 구선된 1번 히터는 동일전압에 가장 낮은 열효율을 보였으며, 병렬형 구조를 가진 3번 히터가 약 350℃의 가장 높은 온도 및 고른 열안정성을 띄는 것으로 확인되었다. 특히 3번 구조에서 인가전압에 따라 동작온도가 표면 위에 일정하게 유지되었으며, 동일한 전력에서 최고 도달온도를 얻을 수 있었다. 시뮬레이션 결과는 실험결과와 비교되었으며 뒷장에서 언급한 바와 같이 3번 구조에서 안정한 히터성능이 관찰되었다.

3.1 마이크로히터 및 온도센서 제작

소자의 제작은 그림. 4와 같이 리쏘그래피를 이용하여 패턴을 형성하였다. 먼저 포토레지스트를 쿼츠 웨이퍼 상에 스핀코팅한 후, UV 얼라이너를 이용하여 표면에 마이크로히터의 패턴을 형성한다. 형성된 패턴위에 E-beam evaporator를 이용하여 Pt/Ti 박막을 증착한 후 리프트 오프 과정을 거쳐 패턴을 형성한다. 절연층을 형성하기 위해서는 PECVD 방식을 이용하여 Si₃N₄를 웨이퍼 상부 전체에 증착하였다. 절연층이 형성된 웨이퍼 위에 표면온도를 측정하기 위한 온도센서를 마이크로히터의 패턴형성과 동일한 방식으로 형성한다. 마지막으로 Reactive Ion Etching (RIE) 시스템을 이용하여 절연층에 덮힌 마이크로 히터의 전극부분을 드라이 에칭하여 표면이 드러나게 한다. 이와 같이 제작이 끝난 후 다이싱 컷을 통해 각각의 샘플로 제작하였으며, 각 전극의 패드를 Au 와이어 본딩을 이용하여 PCB 기판에 패키징하였다.

3.2 테스트 과정

와이어 본딩으로 연결된 PCB 기판에 납땜을 하여 구리선을 연결하고 마이크로히터는 DC 서플라이에, 온도센서는 I/V 미터에 연결한다(그림. 5). I/V 미터에서는 히터의 가열에 따른 온도의 변화를 확인하기 위하여 온도센서의 저항변화를 측정하며 1mV의 셋업 전압을 인가해준다. 히터에 전압을 가하지 않은 상태로 I/V 미터를 작동시켜 초기 저항을 확인하고 DC 서플라이를 구동하여 시간에 따른 온도상승과 최고 도달 온도를 확인할 수 있게 하였다.

4.1 제작된 마이크로히터 및 온도센서

그림. 6은 본 실험에서 제작한 마이크로히터와 Si₃N₄ 절연층 위 표면층에 가해지는 온도를 확인하기 위한 온도센서가 집적된 소자의 측정 사진이다. 표면에 일정한 열을 가하기 위해 1.5 μm 두께의 절연층을 패턴 전체를 덮을 수 있게 형성하였다. 상부의 온도센서는 백금을 이용한 저항형 온도 감지기 (RTD) 형식 센서로 제작되었다.

4.2 온도센서 측정 결과

그림. 7은 상부 표면의 온도센서와 수직 단면도를 SEM으로 촬영한 사진이다. 표면의 온도를 확인하기 위한 백금 온도센서는 온도의 변화에 따라 선형적으로 저항이 변화하며 그 변화량은 백금 자체의 온도 계수와 초기저항에 의해 결정된다. 따라서 마이크로히터의 가열효과를 정확하게 확인하기 위해서는 먼저 표면에 증착된 온도센서의 선형성을 먼저 확인해두어야 한다. 따라서 온도센서에 저항미터를 연결하고 항온 항습 챔버 시스템을 이용해 온도를 변화시키며 시간에 따른 온도 변화를 관측한다. 그림. 8은 온도의 변화에 따른 센서의 저항변화를 나타낸 그래프이다. 상온에서 온도센서의 초기저항은 282.2Ω으로 측정되었다. 그림을 보면 50℃의 온도가 변화할 때 저항의 변화는 약 30Ω 변하였으며 1℃당 0.6Ω의 변화가 있는 것을 알 수 있다. 선형성을 계산해보면 오차율 0.01% 정도이며 온도센서가 충분히 선형성을 가지고 있는 것을 알 수 있다.

4.3 인가전압에 따른 마이크로히터 열생성 분석

줄 발열의 원리에 따라서 금속 히터는 전류의 제곱에 비례해 열에너지가 생성된다. 인가된 전압의 크기에 따라 표면에 가해지는 열에너지가 변화한다. 구조가 다른 히터들에 각 10, 15, 20V 의 직류 전압을 인가한 후 측정된 표면온도를 그림. 9로 정리하였다. 타입 1을 보면 단일 금속선으로 이루어진 히터가 가장 낮은 열효율을 보인다. 온도 상승시간은 최대온도의 90%에 도달하는데 약 2초의 짧은 특성을 보이지만 패턴의 금속의 질량이 가장 적고 따라서 열을 담을 수 있는 양이 적기 때문에 낮은 효율을 가지게 된다. 타입 2는 1의 구조의 단점을 보완하기 위해 빠르게 열에너지가 충전되는 금속선을 주위에 배치에 온도 상승속도를 높이고 최대 도달 온도 역시 더 높은 효율을 보이는 것을 알 수 있다. 이는 발산되는 열에너지가 절연층 위의 수직한 표면 방향으로만 전달되는 것이 아니고 모든 방향으로 퍼지기 때문에 빠르게 온도를 상승시키면서도 동시에 촉매역할을 하는 금속선의 열 역시 전달되며 더 높은 열에너지가 표면에 머무를 수 있기 때문이다. 하지만 빠른 열에너지 상승으로 인해서 전압이 인가되고 온도가 상승될 때 안정화되는 시간이 오래 걸렸다. 타입 3, 4는 각 병렬 저항의 크기가 다른 금속선의 배열을 하였고, 병렬연결로 인한 각각의 금속선에 열 충전이 일어나 높은 최고 온도를 유지하였고, 또한 3번 구조는 4번 구조에 비해 병렬선의 저항이 높아 각 금속선당 줄 발열이 더 빠르게 일어났다. 인가전압이 상승함에 따라 최대 도달 온도가 안정적으로 지속됨을 확인할 수 있었으며, 안정적이면서 높은 열전달을 하는 3번 구조의의 히터가 가장 이상적인 센서 구조라는 것을 확인할 수 있다.

4.4 포화영역에서 안정화 및 구역에 따른 온도 분포 분석

마이크로히터에 전압을 인가한 상태에서 적외선 온도 측정기를 통해 히터 표면에서의 온도를 관찰하였다. 그림. 10의 적외선 측정결과에서 볼 수 있듯이 표면에서 고르게 열에너지가 동작영역에 전달되고 계산된 표면온도와 거의 동일한 측정값을 보임을 확인하였다. 온도센서의 저항변화로 계산된 표면온도와 실제값이 일치한지 확인하였다. 제작된 타입 3번의 마이크로 히터에 동일한 전압을 여러 번 반복적으로 인가해주면서 동일 시간 동일 저항특성을 보이는지 확인해보았다(그림. 11). 거의 오차 없이 상승시간과 최대온도가 일정함을 볼 수 있다. 또한 그림. 12는 타입 3번의 마이크로히터 동작영역 표면에서 위치에 따른 열에너지 전달 정도를 확인하기 위해 3개의 영역에 존재하는 온도 센서에 동일하게 5V의 입력전압을 가한 후 감지한 온도변화를 확인하였다. 3개의 온도센서는 그라운드를 공유하며 각자의 초기저항이 조금씩 다르다. 하지만 온도계수가 동일하며 초기저항을 고려해 저항의 변화를 확인해보면 각 표면 당 전달되는 온도의 차이는 1℃이내라는 것을 확인할 수 있다.

4.5 마이크로히터를 C₂H₂ 센서 성능 향상에 응용

구조 3의 마이크로히터에서 10, 15, 20V를 인가하였을 때 50, 95, 141℃의 온도 증가를 이뤘으며, 가장 안정적이고 전압에 따른 온도 증가가 최적화되었음을 알 수 있다. 제작된 구조 3 마이크로 히터위에 C₂H₂ 센서가 제작되었다(그림. 13). 이미 측정된 마이크로 히터의 저장된 데이터를 이용하여 히터에 전압이 인가되었으며 온도가 안정된 상태에서 C₂H₂ 가스센서의 반응정도를 관찰하였다. 전압은 5~25V 사이에서 인가되었으며 다양한 센서 표면온도를 형성시켰다. 그림. 13은 온도에 따른 C₂H₂ 센서의 반응률을 보인다. 온도에따라 반응률에 큰 차이가 있었으며 180℃에서 최적화된 온도를 얻을 수 있었다. 결론적으로 본 논문에서 제작된 마이크로 히터의 성능은 인가 전압에 따라 선형성을 지닌 온도변화가 절연체 표면에서 관찰되었으며 이를 이용하여 가스센서 성능 및 선택성 향상에 크게 기여할 것으로 사료된다.