KR20090099361A - Gas sensor included carbon nano-tube wire and method of manufacturing the same - Google Patents

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KR20090099361A
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문성호
이선우
마야
윤홍식
김동우
왕샤오펑
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삼성전자주식회사
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Abstract

A carbon nano tube gas sensor and a manufacturing method thereof are provided to realize mass production with high sensitivity without depending on an electric characteristic of a carbon nano tube. A carbon nano tube gas sensor includes a lower electrode(120), a catalyst layer(125), an insulating layer pattern(130), an upper electrode(140), a carbon nano tube(150) and a power supply unit(160). The catalyst layer is formed on a lower electrode. The insulating layer pattern has an opening which passes to expose a surface of the catalyst layer. The upper electrode is formed on the insulating layer pattern. The opening passes through the upper electrode. The carbon nano tube grows in the catalyst layer exposed to the opening. The carbon nano tube comprises a gas absorption site. The power supply unit is connected to the lower electrode and the upper electrode. A detector(170) is installed between the lower electrode and the power supply unit. The detector detects a vibration number change of a carbon nano tube to determine whether to absorb gas.

Description

탄소나노튜브 가스 센서 및 이의 제조 방법{Gas Sensor Included Carbon Nano-Tube Wire And Method Of Manufacturing The Same}Gas Sensor Included Carbon Nano-Tube Wire And Method Of Manufacturing The Same}

본 발명은 탄소나노튜브를 포함하는 가스 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가스와 물리적 또는 화학적으로 반응하는 탄소나노튜브를 포함하는 가스센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a gas sensor comprising a carbon nanotube and a manufacturing method thereof, and more particularly to a gas sensor comprising a carbon nanotube reacting with a gas or physically and chemically.

가스센서는 가스와 감응 물질 간의 상호 작용에 의해 가스의 종류와 양을 전기적 신호로 검출하는 소자로서 전도성, 압전형, MOSFET형 등 다양한 종류의 센서가 지금까지 개발되어 왔다. 그러나 대부분 감응 물질의 한계와 구조적 문제로 고성능화, 집적화, 소형화, 일괄 생산화 등의 부분에서 많은 제약이 존재하고 있다. 예를 들면, 금속산화물을 이용한 전도성 센서는 고온에서만 동작하며, 진동자를 이용한 압전형 센서의 경우는 소형화, 집적화가 거의 불가능하다. The gas sensor is an element that detects the type and amount of gas as an electrical signal by the interaction between the gas and the sensitive material, and various types of sensors such as conductivity, piezoelectric, and MOSFET type have been developed so far. However, due to limitations and structural problems of most sensitive materials, there are many limitations in terms of high performance, integration, miniaturization, and batch production. For example, a conductive sensor using a metal oxide operates only at a high temperature, and a piezoelectric sensor using a vibrator can hardly be miniaturized and integrated.

이에 따라, 최근 신소재로 각광받고 있는 탄소나노튜브를 이용한 센서가 개발되고 있다. 상기 탄소나노튜브는 직경이 수 ㎚ 내지 수십 ㎚이고 길이가 수십 ㎛ 내지 수백 ㎛로 구조의 비등방성이 크며, 감긴 형태에 따라 도체 또는 반도체의 성질을 띠며, 직경에 따라 에너지 갭(energy gap)이 달라지고 준 일차원적 구조를 가 지고 있어 독특한 양자 효과를 나타낸다. 또한, 상기 탄소나노튜브는 역학적으로 견고하고(강철의 100배정도), 화학적 안정성이 뛰어나며 열전도도가 높고 속이 비어 있는 특성을 가지고 있어 미시 및 거시적인 측면에서 다양한 응용이 예상되는 새로운 기능성 재료로 널리 적용되고 있다.Accordingly, a sensor using carbon nanotubes, which has recently been spotlighted as a new material, has been developed. The carbon nanotubes have a diameter of several nanometers to several tens of nanometers and a length of several tens of micrometers to several hundred micrometers, and have large anisotropy of the structure, and have the characteristics of a conductor or a semiconductor according to the wound form. It has a unique, one-dimensional structure that is different and exhibits unique quantum effects. In addition, the carbon nanotubes are mechanically strong (about 100 times as much as steel), have excellent chemical stability, high thermal conductivity, and hollow characteristics, and thus are widely applied as new functional materials that are expected to have various applications in microscopic and macroscopic aspects. It is becoming.

이러한 탄소나노튜브를 이용한 가스센서는 이미 몇 가지가 제안된바 있으며, 대표적인 방법이 CNT-FET를 이용하여 채널로 사용되는 탄소나노튜브를 통해 흐르는 전류량의 변화를 측정하는 방법이다. 이 방법으로 가스센서를 만들기 위해서는 반도체성 탄소나노튜브를 사용해야 하는데, 반도체성 탄소나노튜브만을 제작하는 방법이 어려울 뿐 만 아니라, 이 반도체성 탄소나노튜브를 이용하여 어레이를 만드는 방법이 아직 개발되어 있지 않은 실정이다. Multi-wall 탄소나노튜브의 전기적 성질을 이용한 가스센서도 제안되었으며, ppm 수준의 감도를 보여 주었다. 그러나 탄소나노튜브가 메쉬(mesh) 형태로 구성되어 있어서 전기적인 손실이 많아 감도의 증가에 한계가 있는 실정이다.Several gas sensors using carbon nanotubes have already been proposed, and a representative method is a method of measuring a change in the amount of current flowing through a carbon nanotube used as a channel using a CNT-FET. To make gas sensor by this method, it is necessary to use semiconducting carbon nanotubes. Not only is it difficult to manufacture semiconducting carbon nanotubes, but also a method of making an array using semiconducting carbon nanotubes has not been developed yet. It is not true. A gas sensor using the electrical properties of multi-walled carbon nanotubes has also been proposed, and shows a ppm level sensitivity. However, since carbon nanotubes are configured in a mesh form, there is a limit in increasing sensitivity due to a large amount of electrical loss.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 상기 탄소나노튜브의 전기적 성질에 좌우되지 않고, 감도가 우수하며 대량생산이 가능한 탄소나노튜브 가스센서의 제조방법을 제공하는데 있다. An object of the present invention for solving the above problems is to provide a method of manufacturing a carbon nanotube gas sensor that is excellent in sensitivity and capable of mass production, without depending on the electrical properties of the carbon nanotubes.

또한, 상기 탄소나노튜브의 전기적 성질에 좌우되지 않고, 감도가 우수한 탄소나노튜브 가스센서를 제공하는데 있다.In addition, the present invention provides a carbon nanotube gas sensor having excellent sensitivity without being influenced by the electrical properties of the carbon nanotubes.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 배선이 포함된 반도체 소자는 하부전극, 촉매층, 절연막 패턴, 상부전극, 탄소나노튜브들 및 전원 공급부를 포함한다. 상기 하부전극은 기판 상에 형성되고, 상기 촉매층은 하부전극 상에 형성된다. 상기 절연막 패턴은 상기 촉매층의 표면을 노출시키는 개구를 갖는다. 상기 탄소나노튜브들은 상기 개구 내 촉매층으로부터 성장되며, 그 표면에 가스 흡착 사이트를 갖다. 상기 상부전극은 상기 절연막 패턴 상에 형성되며, 전원 공급부는 상기 하부전극 및 상부전극과 연결되어 전원을 공급하며 적어도 하나가 구비된다.A semiconductor device including a carbon nanotube wiring according to an embodiment of the present invention for achieving the above object includes a lower electrode, a catalyst layer, an insulating film pattern, an upper electrode, carbon nanotubes, and a power supply. The lower electrode is formed on a substrate, and the catalyst layer is formed on the lower electrode. The insulating film pattern has an opening that exposes the surface of the catalyst layer. The carbon nanotubes are grown from the catalyst layer in the opening and have a gas adsorption site on the surface. The upper electrode is formed on the insulating layer pattern, and a power supply unit is connected to the lower electrode and the upper electrode to supply power, and at least one is provided.

본 실시예의 가스센서에 적용되는 상기 탄소나노튜브들은 그 표면에 특정 가스와 화학적 또는 물리적으로 반응하는 반응기들을 더 포함하며, 상기 촉매층 상에서 서로 이격된 상태로 수직 정렬되면서 상기 상부전극의 상면위치 보다 높은 길이를 갖는다. 또한, 상기 가스센서는 상기 탄소나노튜브의 전기 전도성 또는 스위칭 전압변화를 감지/검출하는 검출부를 더 포함하는 구성을 갖는다. The carbon nanotubes applied to the gas sensor of the present embodiment further include reactors that react chemically or physically with a specific gas on a surface thereof, and are vertically aligned in a state spaced apart from each other on the catalyst layer and higher than the upper surface position of the upper electrode. Has a length. The gas sensor may further include a detector configured to detect / detect a change in electrical conductivity or switching voltage of the carbon nanotube.

상술한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 가스센서의 제조방법에 따르면, 먼저 기판 상에 하부전극을 형성한 후 상기 하부전극 상에 촉매층을 형성한다. 이어서, 상기 촉매층 표면을 노출시키는 개구를 갖는 절연막 패턴과 상기 절연막 패턴 상에 존재하는 상부전극을 형성한다. 상기 개구에 노출된 촉매층으로부터 수직 배향되고, 가상기 개구 내 촉매층으로부터 성장되고, 가스 흡착 사이트를 갖는 탄소나노튜브들을 형성한다. 이어서, 상기 하부전극과 상부전극에 적어도 하나의 전원 공급부를 전기적으로 연결시킨다. 그 결과 가스에 대하여 검출감도가 우수한 탄소나노튜브 가스센서가 형성된다.According to the method of manufacturing a carbon nanotube gas sensor according to an embodiment of the present invention for achieving the above-mentioned other object, first to form a lower electrode on the substrate and then to form a catalyst layer on the lower electrode. Subsequently, an insulating film pattern having an opening exposing the surface of the catalyst layer and an upper electrode existing on the insulating film pattern are formed. The carbon nanotubes are vertically oriented from the catalyst layer exposed to the opening, grow from the catalyst layer in the virtual group opening, and have gas adsorption sites. Subsequently, at least one power supply unit is electrically connected to the lower electrode and the upper electrode. As a result, a carbon nanotube gas sensor having excellent detection sensitivity with respect to the gas is formed.

이상에서 설명한 바와 같이, 구조를 갖는 탄소나노튜브를 포함하는 가스센서는 간단한 구조를 가짐에도 불구하고 상온에서 동작이 가능하며 매우 우수한 가스 검출 감도를 갖는다. 상기 가스센서는 기존의 탄소나노튜브 가스센서와 달리 디펙이 존재하여도 동작이 원활하며, 탄소나노 튜브의 기능기의 종류에 따라 다양한 종류의 가스를 검출할 수 있다. As described above, the gas sensor including a carbon nanotube having a structure can operate at room temperature despite having a simple structure and has a very good gas detection sensitivity. Unlike the conventional carbon nanotube gas sensor, the gas sensor operates smoothly even if there is a defect, and can detect various kinds of gases according to the type of the functional group of the carbon nanotube.

또한, 상기 탄소나노튜브를 포함하는 가스센서는 기존 반도체 제조방법을 적용하여 하부전극과 상부전극을 형성한 후 탄소나노튜브를 기판에 대해 수직하게 정렬시켜 형성하기 때문에 대량 생산될 수 있다.In addition, the gas sensor including the carbon nanotubes can be mass-produced by forming the lower electrode and the upper electrode by applying a conventional semiconductor manufacturing method and then aligning the carbon nanotubes perpendicularly to the substrate.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예들에 따른 탄소나노튜브 가스센서를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하지만, 본 발명이 하기의 실시예들에 제한되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 첨부된 도면에 있어서, 기판, 층(막), 개구, 패턴들 또는 구조물들 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 본 발명에 있어서, 각 층(막), 개구, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 개구 또는 패턴들의 "상에", "상부에" 또는 "하부"에 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 각 층(막), 개구, 패턴 또는 구조물들이 직접 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들 위에 형성되거나 아래에 위치하는 것을 의미하거나, 다른 층(막), 다른 개구, 다른 패턴 또는 다른 구조물들이 기판 상에 추가적으로 형성될 수 있다. Hereinafter, a carbon nanotube gas sensor according to preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments, and those skilled in the art may implement the present invention in various other forms without departing from the technical spirit of the present invention. In the accompanying drawings, the dimensions of the substrates, layers (films), openings, patterns or structures are shown in greater detail than actual for clarity of the invention. In the present invention, when each layer (film), opening, pattern or structures is referred to as being formed "on", "upper" or "lower" of a substrate, each layer (film), opening or patterns Means that each layer (film), opening, pattern or structure is formed directly over or below the substrate, each layer (film), region, pad or patterns, or is a different layer (film), another opening, another pattern or Other structures may additionally be formed on the substrate.

실시예 1의 가스센서Gas sensor of Example 1

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 가스센서를 개략적으로 나타내는 도이다.1 is a view schematically showing a carbon nanotube gas sensor according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 실시예의 탄소나노튜브 가스센서는 기판(110) 상에 형성된 하부전극(120), 절연막 패턴(130), 상부전극(140), 탄소나노튜브(150), 전원 제공부(160) 및 검출기(170)를 포함하는 구성을 갖는다.Referring to FIG. 1, the carbon nanotube gas sensor of the present embodiment includes a lower electrode 120, an insulating layer pattern 130, an upper electrode 140, a carbon nanotube 150, and a power supply unit formed on the substrate 110. Has a configuration that includes 160 and a detector 170.

상기 기판(110)은 실리콘 기판, 실리콘 게르마늄 기판, 에피텍시얼 기판 등을 포함한다. 상기 하부전극(120)은 기판 상에 구비되는 금속 배선으로 상기 탄소나노튜브와 전기적으로 연결된다. 즉, 상기 하부전극(120)은 탄탈륨, 구리, 텅스 텐, 티타늄, 알루미늄 등과 같이 도전성이 우수한 금속 또는 이들의 질화물 등을 포함하는 금속배선이다.The substrate 110 includes a silicon substrate, a silicon germanium substrate, an epitaxial substrate, and the like. The lower electrode 120 is electrically connected to the carbon nanotubes by a metal wire provided on the substrate. That is, the lower electrode 120 is a metal wiring including a metal having excellent conductivity such as tantalum, copper, tungsten, titanium, aluminum, or nitride thereof.

상기 촉매층(125)은 상기 하부전극의 표면으로부터 상기 탄소나노튜브들이 가 용이하면서 보다 빠르게 수직 성장 또는 수직 배향될 수 있도록 하기 위해 적용된다. 상기 촉매층(125)은 촉매금속막 또는 다공질 활성층을 포함한다. 일 예로서, 상기 촉매금속막은 텅스텐, 니켈, 철, 코발트, 팔라듐, 백금, 또는 금과 전이금속으로 형성된 박막으로서 수 nm 내지 수십 nm의 두께를 갖는다. 상기 다공질 활성층은 상기 하부전극의 표면에 이온 식각 공정을 수행하여 상기 하부전극 표면에 미세 홈을 형성함으로서 형성된다. 상기 홈의 간격에 따라 형성하고자 하는 탄소나노튜브의 이격 거리를 조정할 수 있다. The catalyst layer 125 is applied to allow the carbon nanotubes to be vertically grown or vertically oriented quickly and easily from the surface of the lower electrode. The catalyst layer 125 includes a catalyst metal film or a porous active layer. As an example, the catalyst metal film is a thin film formed of tungsten, nickel, iron, cobalt, palladium, platinum, or gold and a transition metal, and has a thickness of several nm to several tens of nm. The porous active layer is formed by performing an ion etching process on the surface of the lower electrode to form fine grooves on the surface of the lower electrode. The distance of the carbon nanotubes to be formed may be adjusted according to the spacing of the grooves.

상기 절연막 패턴(130)은 상기 촉매층(125) 상에 형성되는 실리콘 산화물로서 상기 촉매층 표면 일부를 노출시키는 개구(미도시)가 관통한다. 상기 개구는 상기 촉매층(125)으로부터 성장/배향되는 탄소나노튜브들의 형성 역을 정의하며, 아래로 갈수록 폭이 작아지는 음의 기울기를 갖는다. 상기 실리콘 산화물의 예로서는 BPSG(boro-phosphor silicate glass), PSG(phosphor silicate glass), USG(undoped silicate glass), SOG(spin on glass), PE-TEOS(plasma enhanced-tetra ethylorthosilicate)등을 들 수 있다.The insulating layer pattern 130 is a silicon oxide formed on the catalyst layer 125 and passes through an opening (not shown) exposing a portion of the surface of the catalyst layer. The opening defines a formation region of carbon nanotubes grown / orientated from the catalyst layer 125 and has a negative slope that decreases in width toward the bottom. Examples of the silicon oxides include boro-phosphor silicate glass (BPSG), phosphor silicate glass (PSG), undoped silicate glass (USG), spin on glass (SOG), plasma enhanced-tetra ethylorthosilicate (PE-TEOS), and the like. .

상기 상부전극(140)은 상기 절연막 패턴(130) 상에 형성되며, 탄탈륨, 구리, 텅스텐, 티타늄, 알루미늄 등과 같은 금속 또는 이들의 질화물 등을 포함하는 금속배선이다. 상기 상부전극(140)은 상기 개구에 의해 연통되며, 상기 전원 제공 부(160)와 전기적으로 연결된다.The upper electrode 140 is formed on the insulating layer pattern 130 and is a metal wiring including a metal such as tantalum, copper, tungsten, titanium, aluminum, or a nitride thereof. The upper electrode 140 communicates with the opening and is electrically connected to the power supply unit 160.

상기 탄소나노튜브들(150)은 상기 절연막 패턴(130)의 개구 내에 형성되고, 상기 하부전극(120)과 전기적으로 연결된다. 상기 탄소나노튜브(150)는 상기 개구에 노출된 촉매층(125)의 표면으로부터 나노 단위의 탄소튜브들이 수직으로 성장/배향됨으로서 형성된다. 상기 탄소나노튜브(150)들은 상기 상부전극(140)의 상면의 높이보다 큰 길이를 가지면서, 가스를 흡착하는 가스 흡착 사이트를 갖는다. 또한, 탄소나노튜브(150)들은 상기 상부전극(140)과 절연막 패턴(130)을 관통하는 개구가 하부로 갈수록 좁아지는 음의 프로파일을 갖기 때문에 평상시 상기 상부전극(140)과 전기적으로 연결된 상태를 갖지 않는다. 본 실시예의 탄소나노튜브(150)들은 가스 흡착시 질량이 변화하여 진동변화가 달라질 수 있다. 일 예로서, 상기 탄소나노튜브들은 도 2에 도시된 바와 같이 상기 탄소나토튜브들의 표면에 특정 반응가스와 반응하는 화학적 또는 물리적 특성을 갖는 기능성 반응기(R)를 더 포함할 수 있다. 상기 기능성 반응기의 예로서는 아민기, 카르복실기 및 티올기등을 수 있고, 화학적 방식을 통해 탄소나노튜브에 접합시킬 수 있다.The carbon nanotubes 150 are formed in the opening of the insulating layer pattern 130 and are electrically connected to the lower electrode 120. The carbon nanotubes 150 are formed by vertically growing / orienting nanotubes from the surface of the catalyst layer 125 exposed to the opening. The carbon nanotubes 150 have a length greater than the height of the upper surface of the upper electrode 140 and have a gas adsorption site for adsorbing gas. In addition, since the carbon nanotubes 150 have a negative profile that narrows toward the bottom of the opening penetrating the upper electrode 140 and the insulating layer pattern 130, the carbon nanotubes 150 are normally electrically connected to the upper electrode 140. Don't have The carbon nanotubes 150 of the present embodiment may have a change in vibration due to a change in mass when gas is adsorbed. As one example, the carbon nanotubes may further include a functional reactor (R) having a chemical or physical property to react with a specific reaction gas on the surface of the carbon nanotubes as shown in FIG. Examples of the functional reactor may include an amine group, a carboxyl group and a thiol group, and may be bonded to the carbon nanotubes through a chemical method.

상기 전원 공급부(160)는 상기 하부전극(120) 및/또는 상부전극(140)에 전원을 공급하여 상기 탄소나노튜브들을 진동시킨다. 상기 전원 공급부는 AV 전원 공급부인 것이 바람직하다. 또한, 상기 검출기(170)는 상기 하부전극과 전원 공급부 사이에 구비되어 탄소나노튜브들의 진동수 변화를 검출하여 가스의 흡착여부를 판단한다. 본 실시예의 검출기는 인피던스 분석기인 것이 바람직하다. The power supply unit 160 supplies power to the lower electrode 120 and / or the upper electrode 140 to vibrate the carbon nanotubes. Preferably, the power supply is an AV power supply. In addition, the detector 170 is provided between the lower electrode and the power supply to detect the change in the frequency of the carbon nanotubes to determine whether the gas is adsorbed. It is preferable that the detector of this embodiment is an impedance analyzer.

도 3 내지 도 5는 도 1의 탄소나노튜브 배선을 포함하는 반도체 소자의 제조 방법을 나타내는 도이다.3 to 5 are diagrams illustrating a method of manufacturing a semiconductor device including the carbon nanotube wiring of FIG. 1.

도 3을 참조하면, 기판(110) 상에 하부전극(120)을 형성한다. 구체적으로 상기 기판(110) 상에 하부 금속막을 형성한 한다. 일 예로서, 상기 하부 금속막은 탄탈륨, 구리, 텅스텐, 티타늄, 알루미늄 등과 같은 금속을 증착하여 형성한다. 이후 상기 하부 금속막의 표면에 촉매층을 형성한다. 상기 촉매층은 촉매금속막(미도시) 또는 다공질 활성층(미도시)을 포함하며, 상기 하부전극(120)의 표면으로부터 탄소나노튜브가 용이하면서 보다 빠르게 성장할 수 있도록 하기 위해 약 수 내지 수집 나노미터의 두께로 형성된다.Referring to FIG. 3, the lower electrode 120 is formed on the substrate 110. Specifically, a lower metal film is formed on the substrate 110. As an example, the lower metal layer is formed by depositing a metal such as tantalum, copper, tungsten, titanium, aluminum, or the like. Thereafter, a catalyst layer is formed on the surface of the lower metal film. The catalyst layer may include a catalyst metal film (not shown) or a porous active layer (not shown), and may have a number of collection nanometers from about several nanometers so that carbon nanotubes may be easily and quickly grown from the surface of the lower electrode 120. It is formed in thickness.

이어서, 별도의 식각마스크를 적용한 건식 식각 공정을 수행함으로서 상기 촉매층과 하부 금속막을 패터닝 한다. 그 결과 상기 기판(110) 상에는 하부전극(120)과 촉매층(125)이 형성된다. Subsequently, the catalyst layer and the lower metal layer are patterned by performing a dry etching process using a separate etching mask. As a result, the lower electrode 120 and the catalyst layer 125 are formed on the substrate 110.

도 4를 참조하면, 상기 촉매층이 형성된 하부전극(120) 상에 절연막 패턴(130) 및 상부전극(140)을 형성한다. Referring to FIG. 4, an insulating film pattern 130 and an upper electrode 140 are formed on the lower electrode 120 on which the catalyst layer is formed.

구체적으로 상기 실리콘 산화물을 증착하여 상기 촉매층(125)이 형성된 하부전극(120)을 덮는 절연막을 형성한다. 이후, 상기 절연막 상에 상부전극 형성용 금속막을 형성한다. 이어서, 상기 금속막 상에 탄소나노튜브들의 형성영역을 정의하는 식각마스크를 형성한 후 상기 식각마스크에 노출된 금속막 및 절연막을 인시튜로 이방성 식각한다. 그 결과 상기 하여 상기 절연막과 금속막을 관통하면서 상기 하부전극(120)의 촉매층(125)표면을 노출시키는 개구가 형성된다. 상기 개구의 형성으로 인해 상기 금속막과 절연막은 각각 상부전극과 절연막 패턴으로 인시튜로 형성된다. 상기 개구는 이방성 식각 공정의 식각 특성으로 인해 하부로 갈수록 폭이 좁아지는 음의 프로파일을 갖는다. 다른 예로서, 상기 절연막 패턴과 금속막 패턴을 별도의 식각마스크를 이용하여 각각 형성될 수 있다.Specifically, the silicon oxide is deposited to form an insulating layer covering the lower electrode 120 on which the catalyst layer 125 is formed. Thereafter, an upper electrode forming metal film is formed on the insulating film. Subsequently, after forming an etching mask defining a formation region of the carbon nanotubes on the metal film, the metal film and the insulating film exposed to the etching mask are anisotropically etched in situ. As a result, openings are formed through the insulating film and the metal film to expose the surface of the catalyst layer 125 of the lower electrode 120. Due to the formation of the openings, the metal film and the insulating film are formed in-situ with the upper electrode and the insulating film pattern, respectively. The opening has a negative profile that becomes narrower downwards due to the etching characteristics of the anisotropic etching process. As another example, the insulating layer pattern and the metal layer pattern may be formed using separate etching masks.

도 5를 참조하면, 상기 개구 내에 탄소나노튜브(150) 형성한다. 상기 탄소나노튜브(150)는 약 400 내지 700℃의 온도 약 10 내지 300torr의 압력 조건 및 탄화가스가 제공되는 화학기상증착 공정을 수행함으로서 형성될 수 있다. 구체적으로 상기 탄소나노튜브(150)들은 탄화 가스를 이용한 화학기상증착 공정을 수행하면, 상기 탄화 가스가 탄소 상태로 열 분해되어 상기 개구 내로 유입되고, 유입된 탄소는 상기 촉매층(125)에 흡착되어 탄소나노튜브 상태로 연속적으로 성장하게 된다. 그 결과 상기 개구 내에는 상기 하부전극(120)과 전기적으로 연결되는 탄소나노튜브(150)들이 형성된다. 이때, 상기 탄소나노튜브(150)들은 각각 일정간격으로 이격되어 형성되며, 그 길이는 상기 상부전극(140)의 상면의 높이보다 큰 길이를 갖는다. 이후, 도면에 도시하지 않았지만, 상기 탄소나노튜브들의 표면에 특정가스와 화합적 또는 물리적 반응하는 기능성 반응기(미도시)를 더 형성할 수 있다.Referring to FIG. 5, carbon nanotubes 150 are formed in the openings. The carbon nanotubes 150 may be formed by performing a chemical vapor deposition process in which a carbon gas is provided and a pressure condition of about 10 to 300 torr and a temperature of about 400 to 700 ° C. Specifically, when the carbon nanotubes 150 perform a chemical vapor deposition process using carbonization gas, the carbonization gas is thermally decomposed into a carbon state and introduced into the opening, and the introduced carbon is adsorbed by the catalyst layer 125. Carbon nanotubes are grown continuously. As a result, carbon nanotubes 150 electrically connected to the lower electrode 120 are formed in the opening. In this case, the carbon nanotubes 150 are each formed to be spaced apart at a predetermined interval, the length of the carbon nanotubes 150 has a length greater than the height of the upper surface of the upper electrode 140. Subsequently, although not shown in the drawings, a functional reactor (not shown) that reacts chemically or physically with a specific gas may be further formed on the surfaces of the carbon nanotubes.

이후, 상기 하부전극(120) 및/또는 상부전극(140)에 전원 공급부(160)와 검출부(170)를 전기적으로 연결시킨다. 이에 따라 상기 도 1에 도시된 구조를 갖는 탄소나노튜브 가스센서를 제조할 수 있다.Thereafter, the power supply unit 160 and the detection unit 170 are electrically connected to the lower electrode 120 and / or the upper electrode 140. Accordingly, the carbon nanotube gas sensor having the structure shown in FIG. 1 may be manufactured.

실시예 2의 가스센서Gas sensor of Example 2

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 가스센서를 개략적으로 나타내는 도이다.6 is a view schematically showing a carbon nanotube gas sensor according to another embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 본 실시예의 탄소나노튜브 가스센서는 기판(210) 상에 형성된 하부전극(220), 절연막 패턴(230), 상부전극(240), 탄소나노튜브(250), 제1 전원 제공부(262), 제2 전원 제공부(264) 및 검출기(270)를 포함하는 구성을 갖는다. 여기서, 상기 하부전극(220), 절연막 패턴(230), 상부전극(240) 및 탄소나노튜브(250)에 대한 구체적인 설명은 도 1의 상세한 설명에서 개시되어 있기에 생략한다.Referring to FIG. 6, the carbon nanotube gas sensor of the present embodiment includes a lower electrode 220, an insulating layer pattern 230, an upper electrode 240, a carbon nanotube 250, and a first power source formed on the substrate 210. It has a configuration including a providing unit 262, a second power supply unit 264 and a detector 270. Here, detailed descriptions of the lower electrode 220, the insulating layer pattern 230, the upper electrode 240, and the carbon nanotubes 250 are omitted in the detailed description of FIG. 1.

특히, 상기 제1 전원 공급부(262)와 제2 전원 공급부(264)는 서로 다른 극의 전압을 상기 전극에 제공한다. 일 예로서, 제1 전원 공급부(262)에서 상기 하부전극(220)에 양 극의 전압을 인가할 경우 상기 제2 전원 공급부(264)에서 상기 상부전극(240)에 음 극의 전압을 인가하여 상기 탄소나노튜브(250)는 스위치 온(switch-on) 된다. 즉, 도체인 탄소나노튜브는 전기적 인력에 의하여 상부전극에 접촉하게 되므로 스위치 온 상태가 된다. 상기 가스가 탄소나노튜브에 흡착되면 탄소나노튜브의 질량 및 전기적 성질이 변화하여 스위칭 전압이 달라지는 현상을 이용하여 가스의 흡착여부를 알 수 있고, 또 스위치 온 상태를 초기 상태로 이용하면, 가스 흡착에 의해 탄소나노튜브의 전기전도도가 변하는 현상을 이용하여 가스의 흡착여부를 알 수 있다.In particular, the first power supply 262 and the second power supply 264 provide different voltages to the electrodes. For example, when the first power supply 262 applies a positive voltage to the lower electrode 220, the second power supply 264 applies a negative voltage to the upper electrode 240. The carbon nanotubes 250 are switched on. That is, the carbon nanotubes, which are conductors, come into contact with the upper electrode by electrical attraction, and thus are switched on. When the gas is adsorbed on the carbon nanotubes, the mass and electrical properties of the carbon nanotubes change, so that the switching voltage is changed to determine whether the gas is adsorbed. By using the phenomenon that the electrical conductivity of the carbon nanotubes are changed, it is possible to determine whether the gas is adsorbed.

상기 검출기(270)는 상기 제1 전원 공급부(262)와 제2 전원 공급부(264) 사이에 구비되어 탄소나노튜브들의 전기 전도성(Conductance) 변화를 검출하는 I-V 분석기로서 전기 전도성 진동수 변화를 검출하여 가스의 흡착여부를 판단한다. The detector 270 is an IV analyzer provided between the first power supply 262 and the second power supply 264 to detect a change in electrical conductivity of carbon nanotubes, thereby detecting a change in the electrical conductivity frequency. Determine if the adsorption of

이상에서 설명한 바와 같은 구조를 갖는 본 발명의 탄소나노튜브를 포함하는 가스센서는 간단한 구조를 가짐에도 불구하고 상온에서 동작이 가능하며 매우 우수한 가스 검출 감도를 갖는다. 더욱이, 상기 가스센서는 기존의 탄소나노튜브 가스센서와 달리 디펙이 존재하여도 동작이 원활하며, 탄소나노 튜브의 기능기의 종류에 따라 다양한 종류의 가스를 검출할 수 있다. The gas sensor including the carbon nanotubes of the present invention having the structure described above is capable of operating at room temperature despite having a simple structure and has a very good gas detection sensitivity. In addition, unlike the conventional carbon nanotube gas sensor, the gas sensor operates smoothly even if there is a defect, and can detect various kinds of gases according to the type of functional group of the carbon nanotube.

또한, 상기 탄소나노튜브를 포함하는 가스센서는 기존 반도체 제조방법을 적용하여 하부전극과 상부전극을 형성한 후 탄소나노튜브를 기판에 대해 수직하게 정렬시켜 형성하기 때문에 대량 생산될 수 있다.In addition, the gas sensor including the carbon nanotubes can be mass-produced by forming the lower electrode and the upper electrode by applying a conventional semiconductor manufacturing method and then aligning the carbon nanotubes perpendicularly to the substrate.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, although described with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be variously modified without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below. And can be changed.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브 가스센서를 개략적으로 나타내는 도이다.1 is a view schematically showing a carbon nanotube gas sensor according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 탄소나노튜브 가스센서에서 기능기를 갖는 탄소나노튜브를 개략적으로 나타내는 도이다.2 is a view schematically showing a carbon nanotube having a functional group in the carbon nanotube gas sensor of the present invention.

도 3 내지 도 5는 도 1의 탄소나노튜브 배선을 포함하는 반도체 소자의 제조방법을 나타내는 도이다.3 to 5 are diagrams illustrating a method of manufacturing a semiconductor device including the carbon nanotube wiring of FIG. 1.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소나노튜브 가스센서를 개략적으로 나타내는 도이다.6 is a view schematically showing a carbon nanotube gas sensor according to another embodiment of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

120 : 하부전극 130 : 절연막 패턴120: lower electrode 130: insulating film pattern

140 : 상부전극 150 : 탄소나노튜브140: upper electrode 150: carbon nanotubes

160 : 전원 제공부 170 : 검출부160: power supply unit 170: detection unit

Claims (7)

하부전극;Lower electrode; 하부전극 상에 형성된 촉매층;A catalyst layer formed on the lower electrode; 상기 촉매층의 표면을 노출시키는 개구가 관통하는 절연막 패턴;An insulating film pattern through which openings exposing the surface of the catalyst layer pass; 상기 절연막 패턴 상에 형성되고, 상기 개구가 관통하는 상부전극;An upper electrode formed on the insulating layer pattern and through which the opening penetrates; 상기 개구에 노출된 촉매층에서 성장되고 가스 흡착 사이트를 갖는 탄소나노튜브들; 및Carbon nanotubes grown in the catalyst layer exposed to the opening and having gas adsorption sites; And 상기 하부전극 및 상부전극과 연결된 적어도 하나의 전원 공급부를 포함하는 탄소나노튜브 가스센서.Carbon nanotube gas sensor comprising at least one power supply connected to the lower electrode and the upper electrode. 제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브들은 그 표면에 특정 가스와 화학적 또는 물리적으로 반응하는 반응기들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 가스센서.The carbon nanotube gas sensor of claim 1, wherein the carbon nanotubes further include reactors chemically or physically reacted with a specific gas on a surface thereof. 제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브들은 상기 촉매층 상에서 서로 이격된 상태로 수직 정렬되며, 상기 상부전극 상면의 높이보다 큰 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 가스센서.The carbon nanotube gas sensor of claim 1, wherein the carbon nanotubes are vertically aligned with each other spaced apart from each other on the catalyst layer, and have a length greater than a height of an upper surface of the upper electrode. 제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브의 전기 전도성 또는 스위칭 전압변화를 감지/검출하는 검출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 가스센서.The carbon nanotube gas sensor of claim 1, further comprising a detector configured to detect / detect a change in electrical conductivity or switching voltage of the carbon nanotube. 하부전극을 형성하는 단계;Forming a lower electrode; 상기 하부전극 상에 촉매층을 형성하는 단계;Forming a catalyst layer on the lower electrode; 상기 촉매층 상에 상기 촉매층 표면을 노출시키는 개구가 관통하는 절연막 패턴을 형성하는 단계;Forming an insulating layer pattern through the opening exposing the surface of the catalyst layer on the catalyst layer; 상기 절연막 패턴 상에 상기 개구가 관통하는 상부전극을 형성하는 단계;Forming an upper electrode through the opening on the insulating layer pattern; 상기 개구에 의해 노출된 촉매층으로부터 탄소를 배향시켜 나노탄소튜브들을 형성하는 단계; 및Orienting carbon from the catalyst layer exposed by the opening to form nanocarbon tubes; And 상기 하부전극과 상부전극에 적어도 하나의 전원 공급부를 전기적으로 연결시키는 단계를 포함하는 탄소나노튜브 가스센서의 제조방법.A method of manufacturing a carbon nanotube gas sensor comprising electrically connecting at least one power supply to the lower electrode and the upper electrode. 제5항에 있어서, 상기 탄소나노튜브들은 그 표면에 특정 가스와 화학적 또는 물리적으로 반응하는 반응기들을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 가스센서의 제조방법.The method of claim 5, wherein the carbon nanotubes further include forming reactors on the surface of the carbon nanotubes that react chemically or physically with a specific gas. 7. 제5항에 있어서, 상기 개구는 상기 상부 전극 및 절연막 패턴을 관통하며, 상기 개구의 형성으로 인해 상기 상부전극과 절연막 패턴은 인시튜로 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 가스센서의 제조방법.The method of claim 5, wherein the opening penetrates the upper electrode and the insulating layer pattern, and the upper electrode and the insulating layer pattern are formed in situ due to the formation of the opening.
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