KR100325631B1 - 평면형 마이크로 가스센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 저전력으로 동작하는 실리콘웨이퍼를 기판으로 하고, 기판 상에 적층되는 금속 산화물 박막을 감지막으로 하는 마이크로 가스센서 및 그 제조방법에 관한 것이다. p-형 실리콘웨이퍼 기판은 상부 및 하부면에 절연성 지지막이 도포되며, 제 1 마스크를 이용한 실리콘의 이방성 에칭에 의하여 하부 절연성 지지막의 하부 중앙 부분이 제거되고, 상부 절연성 지지막의 중앙부에 다이아프램 윈도우가 형성된다. 히터는 상부 절연성 지지막 상에 형성되며, 가스 감지막은 히터에 의하여 에워싸이며, 상부 절연성 지지막을 통하여 히터에 의하여 일정 온도로 가열된다. 감지막용 전극쌍은 상부 절연성 지지막에서 히터와 동일평면에 형성되어 가스 감지막 하부에 위치한다.
Description
본 발명은 평면형 마이크로 가스센서 및 그 제조방법에 관한 것이고, 보다 상세하게는 저전력으로 동작하는 실리콘웨이퍼를 기판으로 하고, 기판 상에 적층되는 금속 산화물 박막을 감지막으로 하는 마이크로 가스센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 최근에 이용되는 대부분의 가스 센서들은 화학적 전개에 대한 고체의 전기적 반응에 근거한다. 즉, 고체의 전기적 성질들은 가스류의 존재에 의하여 영향을 받으며, 이러한 변화는 가스류를 검출하도록 채택된다. 이러한 고상 센서들은 다음의 3개의 분류로 분류될 수 있다: 검출되는 가스류가 흡수되거나 흡착되어 반도체의 전자 전도성을 변화시키는 반도체 센서, 검출되는 가스류가 고체를 통하는 이온 전류를 변화시키는 가스에 사용하는 고상 전해물질 센서; 및 검출될 가스가 자계 효과 트랜지스터의 게이트에서의 전위에 영향을 주는 자계 트랜지스터 가스 센서(화학적 박막 트랜지스터).
이러한 가스센서는 특정가스를 감지하기 위한 센서로서, 가스센서는 또한 감지막의 종류에 따라서 다음과 같이 분류될 수 있다: 일산화탄소(CO)와 탄화 수소계 가스를 감지하는 환원성 가스센서, C2H5OH를 감지하는 센서, 어류의 신선도를 감지하는 센서, 및 육류의 부패정도를 감지하는 센서. 최근에는 상기된 바와 같은 여러 종류의 센서를 하나로 집적화하여, 빌딩, 사무실, 공장 내의 공조시스템, 식,음료 및 알코올의 공정관리, 특정가스나 냄새의 검출에 응용하려는 노력이 있다.
실리콘웨이퍼를 기판으로 하는 마이크로 가스센서는 종래의 세라믹형이나 후막형 센서보다 크기에 있어서 소형이고, 저전력으로 구동됨으로써 전력의 소비가 적고, 표준제조공정에 의해 대량제조가 가능하다는 이점이 있다. 이러한 마이크로 가스센서의 제조에서 고려해야할 중요한 점은 특정가스에 대한 높은 감도와 선택성, 빠른 응답특성과 오랜 동작에서도 감도특성이 변화되지 않는 장기 안정성, 저소비전력화, 제조공정의 단순화 및 감지막의 온도를 특정온도로 균일하게 유지하는 것이다.
이러한 마이크로 가스센서는 감지막이 특정가스에 민감하게 반응하도록 소자에 내장된 히터에 의하여 감지막이 특정 온도(통상 100∼500℃)로 가열되어야 한다. 이러한 경우에, 히터의 소비전력을 줄이기 위해서는 히터의 재료자체가 발열체로서 효율이 높아야 할뿐만 아니라, 히터로부터 발열된 열이 외부(즉, 소자의 히터나 감지막 이외의 부분)로의 손실이 적어야 한다.
이와 같은 열손실의 방지를 위하여, 실리콘웨이퍼의 상부면에 실리콘보다 열전도성이 훨씬 적은 절연성 지지막을 도포하고, 절연성 지지막 위에 히터 및 감지막을 형성한 후, 실리콘웨이퍼의 뒷면으로부터 이방성에칭에 의하여 실리콘을 에칭하고, 최종적으로 히터와 감지막을 절연성 지지막에 의해서만 지지하는 소자 형태의 마이크로 가스 센서가 만들어졌다.
종래의 SnO2, WO3, In2O3와 같은 금속산화물 박막을 이용한 반도체형 마이크로 가스센서의 경우, 감지박막은 RF(Radio-Frequency) 스퍼터링, 열증착과 같은 물리적인 방법에 의하거나, 또는 화학 기상 증착법(CVD)과 같은 방법에 의해 형성된다.
도 1은 종래의 마이크로 가스센서의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 마이크로 가스센서는 실리콘웨이퍼와 같은 기판(1)상에 도포된 절연성 지지막(2)의 중앙 부분 위에 백금(Pt) 또는 다결정 실리콘과 같은 물질로 형성되는 히터(3a)와 온도센서(3b)가 제공되며, 히터(3a)와 온도센서(3b) 위에 SiO2또는 Si3N4와 같은 절연 물질의 절연막(4)이 중앙 부분이 융기되도록 형성된다. 감지박막을 위한 전극(5)이 절연막(4)의 중앙 부분 상에 형성되고, 전극(5) 위에 가스를 감지하기 위한 감지막(6)이 형성되는 구조를 가진다.
즉, 이러한 종래의 마이크로 가스센서의 구조는 절연성 지지막(2)의 윈도우 중앙부분에 히터(3a) 및 온도 센서(3b)/절연막(4)/가스 감지막(6)이 순차적으로 작층되는 적층형 구조를 가진다. 따라서, 가스 감지막(6)은 바로 아래에 위치되는 히터(3a)에 의하여 가열되는 구조를 가진다.
이와 같은 종래의 적층형 구조의 마이크로 가스센서는 적어도 5개의 제조과정의 포토리소그래피 공정이 요구되며, 그 공정을 요약하면 다음과 같다:
양면 폴리싱된 약 300㎛두께의 실리콘웨이퍼 기판(1)을 약 1㎛정도 열산화시키고, 그 위에 N/O/N(silicon nitride/oxide/nitride)층을 연속적으로 형성하는 것에 의하여, 열전도율이 낮은 절연성 지지막(2)을 형성한다.
이러한 절연성 지지막(2) 상의 중앙부분에 다결정실리콘 또는 백금박막을 형성하고 제 1 마스크 공정을 이용한 포토리소그래피 공정과 에칭 공정을 이용하여 후면을 패터닝하여, 전면 공정이 완료된 후, KOH(수산화칼륨)와 같은 실리콘 이방성 에칭액에 의하여 에칭될 수 있도록 마스크를 형성한다.
전면의 히터층을 제 2 마스크 공정을 이용하여 제 2 포토리소그래피 공정에 의하여 패터닝을 수행하고 절연성 지지막(2) 상의 중앙부위에 가는 띠 형상의 히터(3a)를 형성한다.
히터(3a) 위에 대략 300㎚ 정도의 SiO2또는 Si3N4와 같은 전기적 절연막(4)을 형성한 후, 제 3 마스크 공정을 이용하여 포토리소그래피 공정과 BHF과 같은 산화막 제거 용액에 의한 에칭에 의해, 절연막(4)에 히터(3a)와의 접촉창(윈도우)을 형성한다.
전기적 절연막(4) 위에 백금 박막을 형성한 후, 제 4 마스크 공정을 이용하는 포토리소그래피 공정과 화학에칭 또는 리프트 오프(lift-off) 공정으로 히터(3a)의 본딩 패드와 감지막(6)을 위한 전극(5) 및 본딩 패드를 형성한다.
감지막 전극(5)위에 금속(Sn)을 증착한 후, 제 5 마스크를 이용하는 리프트 오프 공정에 의해 패터닝한 후 열처리하여 산화시키거나 또는 CVD 공정으로 형성되는 SnO2박막을 에칭하는 것으로서, 적층형 마이크로 가스센서가 제조될 수 있다.
그러나, 이러한 종래의 적층형 마이크로 가스센서를 제조하기 위하여 사용되는 RF 스퍼터링 또는 CVD 공정은 많은 에너지를 필요로 하며, 이러한 많은 에너지를 요구하는 공정에 의해 제조된 센서는 100∼500℃의 고온에서 동작하는 동안, 점차 박막의 미세결정 입자의 형태와 크기의 변화가 초래되어, 산화물 입자의 안정성이 저해되고, 나아가 가스 감지막의 장기 안정성 부족의 원인이 되고 있다.
그러므로, 가스와 감지막의 표면반응에 의해 동작하는 가스센서에 있어서, 화학 양론적인 산화물 박막을 형성하는 것은 제조된 박막의 장기안정성확보를 위해서 매우 중요하다.
상기된 바와 같은 종래의 적층형 마이크로 가스센서는 외각의 실리콘웨이퍼로 지지되는 절연성의 지지막 위의 중앙부에 히터 및 온도 센서/절연막/감지박막전극/감지박막이 순차적으로 적층되는 구조를 가지며, 감지막은 RF 스퍼터링, 열증착과 같은 고에너지 소비 공정에 의해 제조된 금속 산화물 박막을 사용한다. 이러한 적층형 마이크로 가스센서는 제조 공정이 복잡하고, 감지박막이 고온에서 장기간동작함으로써, 그 특성이 변화되며 또한 감지막에서의 온도 분포의 편차가 크게 되어 감지막의 가스감지특성의 제어가 어렵다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 아래와 같은 특성을 가지는 마이크로 가스센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
첫째, 종래의 제조공정보다 약 40∼50%의 제조 공정이 단축될 수 있다.
둘째, 가스감지막에서의 온도의 균일도가 종래의 적층형 마이크로 가스센서보다 5배 이상 개선된다.
셋째, 종래의 마이크로 가스센서의 장기안정성부족을 해결할 수 있다.
넷째, 스핀코팅과 같은 습식법에 의한 감지막 형성공정과 호환성을 가진다.
도 1은 종래의 적층형 마이크로 가스센서의 구조를 도시한 단면도.
도 2a는 본 발명의 한 실시예에 따라서 히터와 온도센서가 하나로 구성되어 공용으로 사용되는 평면형 마이크로 가스센서의 구조를 나타내는 단면도.
도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따라서 별도의 히터와 온도센서를 구비하는 평면형 마이크로 가스센서의 구조를 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 평면형 마이크로 가스센서의 제조공정을 순차적으로 도시한 단면도.
도 4a는 종래의 적층형 마이크로 가스센서 감지막의 온도분포 시뮬레이션 결과를 도시한 선도.
도 4b는 본 발명의 평면형 마이크로 감지막의 온도분포 시뮬레이션 결과를 도시한 선도.
도 5는 본 발명의 평면형 마이크로 가스센서의 각종가스에 대한 감도특성을 도시한 선도.
도 6은 도 5의 평면형 마이크로 가스센서의 250℃에서의 CO가스에 대한 응답특성을 도시한 선도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 실리콘웨이퍼 기판 20 : 절연성 지지막
30 : 이중층 30a : 히터
30b : 온도센서 30c :전극
40 : 가스 감지막
상기된 바와 같은 목적은, 본 발명의 한 양태에 따라서, 상부 및 하부면에 절연성 지지막이 도포되며, 제 1 마스크로 이용하여 실리콘의 이방성 에칭에 의하여 하부 절연성 지지막의 하부 중앙 부분이 제거되고, 상부 절연성 지지막의 중앙부에 다이아프램 윈도우가 형성되는 p-형 또는 n-형 실리콘웨이퍼 기판과; 상기 상부 절연성 지지막 상에 형성되는 히터와; 상기 히터에 의하여 에워싸이며, 상기 상부 절연성 지지막을 통하여 상기 히터에 의하여 일정 온도로 가열되는 가스 감지막과; 상기 상부 절연성 지지막에서 상기 히터와 동일평면에 형성되어 상기 가스 감지막 하부에 위치되며, 상기 히터를 가열하기 위한 감지막용 전극쌍을 포함하는 것을 특징으로 하는 평면형 마이크로 가스센서에 의하여 달성될 수 있다.
상기된 바와 같은 목적은 또한 본 발명의 다른 양태에 따라서, p-형 또는 n-형 실리콘웨이퍼 기판의 양면에 일정 두께의 절연성 지지막을 화학 기상 증착법을 이용하여 형성하고, 제 1 마스크를 이용하여 패터닝함으로써, 하부 절연성 지지막을 에칭하는 단계와; 제 2 마스크를 이용하는 RF 마그네트론 스퍼터링으로 상부 절연성 지지막에 Pt/Ti, Pt/Ta 또는 Pt/Cr의 이중층을 형성하여, 상기 절연성 지지막 상에 동일 평면으로 히터 및 온도 센서와 전극쌍을 형성하는 단계와; SnO2,ZnO, WO3또는 Ga2O3의 졸 용액 또는 전구체 용액을 상부 절연성 지지막의 전면에 스핀코팅하고, 600℃의 온도에서 0.5∼2시간 열처리한 후, 제 3 마스크 공정을 이용하여, 스핀코팅된 SnO2,ZnO, WO3또는 Ga2O3막을 포토리소그래피 공정 및 에칭하여, 상기 전극쌍 상에 가스 감지막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 평면형 마이크로 가스센서 제조 방법에 의하여 달성될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
실시예 1
도 2는 본 발명에 의한 평면형 마이크로 가스센서의 구조를 나타내는 단면도이다. 본 발명에 따른 평면형 마이크로 가스센서는 도 2a에 도시된 바와 같이 절연성 지지막(20a,20b) 위에 백금 또는 다결정 실리콘으로 형성되는 히터(30a)와 감지막(40)을 위한 전극쌍(30c)이 동일평면에 형성된다.
본 발명에 따른 평면형 마이크로 가스센서는 또한 도 2b에 도시된 바와 같이 절연성 지지막(20a,20b) 위에 백금 또는 다결정실리콘으로 이루어진 히터(30a) 및 온도센서(30b)와 감지막(40)을 위한 전극쌍(30c)이 동일 평면에 형성되는 구조를 취할 수도 있다. 이러한 히터(30a) 및 온도센서(30b)와 전극쌍(30c)은 Pt/Ti, Pt/Ta 또는 Pt/Cr 이중층으로 형성되며, 그 두께는 Pt층이 0.1~ 2㎛이며, Ti, Ta 또는 Cr층의 두께가 50 ~ 1000Å이다. 히터(30a)는 대안적으로 다결정실리콘으로 형성될 수도 있다. 또한, 히터(30a)와 온도 센서(30b)는 다결정실리콘, 인(P)이 도핑된 다결정실리콘, 붕소(B)가 도핑된 다결정실리콘을 사용함으로써, 기능이 통합될 수도 있다.
상기된 바와 같은 구조를 가지는 것에 의하여, 본 발명에 따른 평면형 마이크로 가스센서는 가스 감지막(40)의 바깥에서 가스 감지막(40)을 에워싸도록 배치된 히터(30a)의 가열에너지가 히터(30a)로부터 절연성 지지막(20a)을 통한 열전도와 공기를 통한 대류에 의해 가스 감지막(40)에 전달됨으로써, 가스 감지막(40)이 가열된다.
도 3은 도 2에 도시된 본 발명에 따른 평면형 마이크로 가스센서의 제조공정을 순차적으로 도시한 단면도이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 양면 폴리싱된 대략 320㎛ 정도의 두께를 가지는 p-형 실리콘웨이퍼(10)의 양면에 대략 950㎚ 두께의 절연성 지지막(20a,20b)이 도포된다. 절연성 지지막(20a,20b)은 대기압 화학 기상 증착법(atmosphere-pressure CVD)에 의해 증착되는 800nm 두께의 PSG(phosphorous silica glass)막과, 저압 화학 기상 증착법(low-pressure CVD)에 의해 증착되는 대략 150㎚ 두께의 Si3N4막이 사용될 수 있으며, 또한, Si3N4의 두께가 200∼5000Å, PSG의 두께가 0.1∼3㎛으로 형성될 수도 있다.
한편, 절연성 지지막(20a,20b)은 또한 Si3N4의 두께가 100~5000Å,SiO2의 두께가 0.1~3㎛인 Si3N4/SiO2/Si3N4/SiO2의 4중층 구조로 구성되거나, Si3N4의 두께가 200~5000Å, SiO2의두께가 0.1~3㎛인 Si3N4/SiO2/Si3N4의 3중층 구조로 구성될 수도 있다.
형성된 절연성 지지막(20)은 하부 절연성 지지막(20b)으로부터 에칭에 의해 대략 1.5㎜×1.5㎜ 크기의 절연성 지지막 윈도우로 형성된다. 이러한 절연성 지지막(20a,20b)은 상부 절연성 지지막(20a)이 다이아프램 윈도우로, 하부 절연성 지지막(20b)이 실리콘 에칭시의 보호층으로 사용된다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 접착층으로서 대략 30㎚두께의 Ti층과 대략 230㎚ 두께의 Pt층의 Pt/Ti 이중층(30)이 RF 마그네트론 스퍼터링에 의해 연속적으로 절연성 지지막(20a)의 전체면에 형성되며, 이러한 Pt/Ti 이중층(30)이 히터(30a) 및 온도센서(30b)와 감지막 전극쌍(30c)을 형성하도록 에칭되며, 절연성 지지막(20a)에 히터(30a) 및 온도센서(30b)와 감지막 전극쌍(30c)을 형성하는 Pt/Ti 이중층은 그 두께가 Pt층이 0.1~ 2㎛, Ti층의 두께가 50~1000Å이다.
히터(30a) 및 온도센서(30b)와 감지막 전극쌍(30c)을 형성하는 이중층(30)은대안적으로 Pt/Ta 또는 Pt/Cr의 이중층으로 형성될 수 있으며, 이 때, Ta 또는 Cr층의 두께는 Ti층과 동일하게 50~1000Å이다. 이러한 Ti, Ta 또는 Cr은 Pt층과 절연성 지지막(20a) 사이의 접착력을 향상시킨다. 절연성 지지막(20a)에 형성되는 히터(30a)와 온도센서(30b)의 폭은 대략 500Å~20㎛인 것이 바람직하다. 히터(30a)의 크기는 대략 다이아프램 윈도우의 1/5~1/2이다.
또한, 다결정실리콘이 히터(30a) 및 온도센서(30b)와 감지막 전극쌍(30c)으로 사용될 수 있으며, 이 때는 다결정실리콘이 LP CVD에 의해 형성되고, 그런 다음 인(P) 또는 붕소(B)가 다결정실리콘에 도핑된다. 상기된 바와 같이 다이아프램 윈도우 상에 형성되는 히터(30a)와 온도 센서(30b)는 상기된 바와 같이 다결정실리콘, 인(P)이 도핑된 다결정실리콘, 붕소(B)가 도핑된 다결정실리콘을 사용함으로써, 기능이 통합될 수도 있다.
포토리소그래피 공정과 반응성 이온 에칭(reactive ion etching) 공정에 의한 하부 절연성 지지막(20b)의 PSG(phosphorus-doped silicon dioxide)/Si3N4층을 제 1 마스크 공정을 이용하여 패터닝하고, 하부 절연성 지지막(20b)의 전체면 공정이 완료된 후, KOH등과 같은 실리콘 이방성에칭용액을 이용하여 에칭한다(도 3c 참조).
도 3b에 도시된 바와 같은 공정에서 이미 형성되어있는 Pt/Ti 층 또는 다결정실리콘층(30)을 제 2 마스크 공정을 이용하여, 도 3d에 도시된 바와 같이 양면정렬 포토리소그래피공정과 에칭공정에 의해 감지막을 위한 전극쌍(30c)과 저항형 히터(30a, 및 온도 센서(30b))가 상부 절연성 지지막(20a) 상에 동시에 형성된다.
그런 다음, SnO2,ZnO, WO3또는 Ga2O3의 졸 용액 또는 전구체 용액을 장기안정성이 높은 소자인 세라믹형이나 후막형 소자에서 적용되는 습식법을 응용하여 상부 절연성 지지막(20a)의 전면에 대략 0.05~1㎛의 두께로 스핀코팅하고, 600℃의 온도에서 30분간 열처리한 후, 제 3 마스크 공정을 이용하여, 스핀코팅된 SnO2,ZnO, WO3또는 Ga2O3막을 포토리소그래피 공정 및 에칭함으로써, 도 3e에 도시된 바와 같이 전극쌍(30c) 상에 가스 감지막(40)을 형성한다.
한편, 가스 감지막(40)은 상기된 바와 같은 습식법을 응용한 졸겔 스핀 코팅법 뿐만 아니라, 드롭핑(dropping) 또는 디핑(dipping) 공정에 의하여 형성될 수 있다. 형성된 박막은 200∼1000℃의 온도에서 열처리되는 것에 의하여, 윈도우의 중앙부에 장기안전성이 우수한 감지박막전극과 히터가 동시에 평면형으로 형성된다. 이러한 가스 감지막(40)은 센서의 동작온도에서 가스 감지막(40)의 온도편차가 적고 센서의 제조공정이 간단하게 된다.
마지막으로, 도 3f에 도시된 바와 같이 실리콘웨이퍼 기판(10)의 하부면으로부터의 KOH용액에 의한 이방성에칭에 의해 950 ㎚두께의 절연성 지지막(20a)만으로 히터(30a)와 온도센서(30b), 전극쌍(30c) 및 감지막(40)을 지지하는 형태의 평면형 마이크로 가스 센서가 완성된다.
실시예 1의 방법에 의하여 제작된 평면형 마이크로 가스센서는 3.7㎜×3.7㎜ 의 크기를 가지며, 실리콘웨이퍼 기판(10)이 하부면이 상기된 바와 같이 에칭되어,1.5 ㎜×1.5㎜의 절연성 지지막(20)의 윈도우가 형성된다. 다이아램프 위에 감지막부분(40)을 포함한 센서소자의 활성부분이 놓여져 있다.
도 4a는 컴퓨터를 이용한 수치 모사에 의한 종래의 적층형 마이크로 가스센서의 온도 분포도이며, 도 4b는 본 발명에 따른 평면형 마이크로 가스센서의 온도분포도이다. 이러한 가스센서의 열분포도를 시뮬레이션하기 위하여, 유한 요소법을 이용한 상업용 범용 소프트웨어인 ANSYS(Swanson Analysis Systems. Inc., 미국)를 이용하였다.
이러한 마이크로 가스센서의 온도 분포도는 가스 감지막(40)의 크기가 히터외각의 크기와 동일하다고 가정하고(260㎛×260㎛), 또한 히터(30a)의 외각크기가 절연성 지지막 윈도우의 1/3임을 가정할 때 히터(30a)에 가해지는 전력에 대한 것이다.
56.6㎽의 전력이 평면형 마이크로 가스센서에 가해질 경우에, 가스 감지막(40)의 온도분포는 가스 감지막(40)의 중앙부분으로부터 가장자리부분으로 가면서 345.5℃에서 352.6℃로 변화되었으며, 가스 감지막(40)에서의 최대 온도편차는 7.1℃로 유지되었다.
한편, 종래의 적층형 마이크로 가스센서에서는 25.1㎽의 가열전력에 대해 364.8℃에서 323.9℃로 변화하여, 가스 감지막(6)에서의 최대 온도 편차가 40.9。C로서, 본 발명의 평면형 마이크로 가스 센서에서의 가스 감지막(40)에서의 최대온도편차보다 약 5.8 배의 차이를 나타내었다. 이러한 온도분포의 균일성이 동일 평면(절연성 지지막(20)) 위에서 가열 히터(30a)에 의해 에워싸인 가스 감지막(40)을가지는 평면형마이크로 가스센서의 특성을 잘 나타내주고 있다.
도 5는 0.5wt%의 Sb를 함유하는 SnO2를 가스 감지막(40)으로 하는 본 발명의 평면형 마이크로 가스센서의 각종 가스에 대한 감도특성을 도시한 것이다.
마이크로 가스센서의 저항과 응답속도를 고려한 CO 가스에 대한 최적 감지막으로는 Sb가 0.5wt% 이상 첨가된 150㎚두께의 박막을 감지막으로 하는 평면형 마이크로 가스센서였다. 2000ppm의 CO, C4H10과 C3H8및 4000ppm의 C2H5OH에 대한 가스감도특성을 조사한 결과, 여러 가스 중 250℃에서의 CO가스에 대해 우수한 선택성이 나타났다. 이러한 특정 가스에 대한 선택성은 스핀 코팅에 사용되는 코팅 용액의 성분을 적당히 조절함으로써 이루어질 수 있을 것이다.
도 6은 도 5의 평면형 마이크로 가스센서의 250℃에서의 CO 가스에 대한 응답특성을 도시한 선도이며, 90%의 응답시간이 약 10초로서 비교적 빠른 응답특성을 나타내었다.
상기된 바와 같이, 본 발명에 따른 평면형 마이크로 가스센서에 의하면, 종래의 적층형 실리콘 마이크로 가스센서에 있어서의 감지막에서의 온도분포의 불균일성과 제조공정의 복잡성문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 가스 감지막인 금속산화물박막의 제조를 위한 습식 제조 공정과의 호환성 문제를 해결함으로써, 단순공정에 의해 가스감지특성과 장기안정성이 우수한 평면형 실리콘 마이크로 가스센서가 제조될 수 있다.
또한, 본 발명의 마이크로 가스센서를 실리콘 가스센서의 제조에 적용할 경우, 마이크로 가스센서의 제조비용이 크게 저렴하게 될 수 있을 뿐만 아니라, 가스 감지막의 경시 변화를 크게 줄여 수명이 크게 연장될 수 있다.
이러한 평면형 마이크로 가스센서는 단일의 마이크로 가스센서로서, 종래의 세라믹형의 가스센서보다 저전력으로 동작될 수 있으며 또한 표준공정에 의해 제조가 가능한 이점을 가지는 외에, 실리콘웨이퍼 기판 위에 용이하게 어레이될 수 있으며, 각각의 동작온도가 변화될 수 있는 동일 가스 감지막의 센서어레이로서 제조됨으로써, 실리콘웨이퍼 기판 위에 신호처리회로와 함께 집적됨으로써, 센서어레이에 의한 가스인식시스템, 냄새인식시스템에 적용될 수 있는 한편, 나아가 전자코 시스템에 응용되어 알코올분류, 음식 또는 음료의 제조 공정감시 시스템에 응용될 수 있다. 이러한 경우, 지금까지 세라믹 센서가 적용되었던 가스누출경보, 빌딩이나 사무실, 공장내의 공조시스템에서의 활용, 전자레인지 등에서의 적용 영역 확대는 물론, 보다 다양하고 복잡한 시스템에 응용될 수 있다.
Claims (17)
- 하부 및 상부면에 절연성 지지막이 도포되며, 제1마스크를 이용하여 실리콘의 이방성 에칭에 의하여 하부 절연막의 하부 중앙부분이 제거되고, 상부 절연막의 중앙부에 다이아프램 윈도우가 형성되는 p-형 또는 n-형 실리콘웨이퍼기판;에칭공정을 통해 상기 상부 절연성 지지막의 상의 동일 평면에 형성되는 히터 및 전극쌍; 및상기 히터에 의하여 일정온도로 가열되고, 상기 전극쌍 상에 형성되는 가스감지막; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 평면형 마이크로 가스센서.
- 제 1 항에 있어서, 상기 히터는 히터와 온도 센서의 기능을 통합하도록 Pt/Ti, Pt/Ta 또는 Pt/Cr의 이중층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 평면형 마이크로 가스센서.
- 제 1 항에 있어서, 상기 히터와 동일 재료로 형성되며, 상기 감지막 전극쌍과 동일평면에 위치되도록 상기 히터와 인접하여 배치되는 온도 센서를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 평면형 마이크로 가스센서.
- 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 히터 및 온도센서와 감지막 전극쌍은 Pt층이 0.1∼2㎛, Ti, Ta와 Cr층의 두께가 50∼1000Å의 두께를 가지는 Pt/Ti, Pt/Ta 또는 Pt/Cr의 이중층으로 형성되며, Ti, Ta 및 Cr은 Pt막과 절연성 지지막 사이의 접착력을 높이는 것을 특징으로 하는 평면형 마이크로 가스센서
- 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 히터와 온도센서는 500Å∼20㎛의 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 평면형 마이크로 가스센서.
- 제 1 항에 있어서, 상기 가스 감지막은 SnO2, ZnO, WO3, In2O3,Sb2O5및 Ga2O3로부터 선택되는 하나 또는 둘 이상의 복합 졸 용액 또는 전구체 용액으로 형성되는 것을 특징으로 하는 평면형 마이크로 가스센서.
- 제 1 항에 있어서, 상기 가스 감지막은 SnO2, ZnO, WO3, In2O3및 Ga2O3로부터 선택되는 졸 용액 또는 전구체 용액이 스핀 코팅, 딥 코팅 또는 드롭에 도포된 후에, 200∼1000℃에서 0.5∼5시간 열처리되는 것으로 형성되는 것을 특징으로 하는 평면형 마이크로 가스센서.
- 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 SnO2,ZnO, WO3및 Ga2O3로부터 선택된 졸 용액으로 형성되는 가스 감지막은 0.05∼1㎛의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 평면형 마이크로 가스센서.
- 제 1 항에 있어서, 상기 히터는 크기가 전체 다이아램프 윈도우의 1/5∼1/2인 Pt 히터인 것을 특징으로 하는 평면형 마이크로 가스센서.
- 제 1 항에 있어서, 상기 히터는 크기가 전체 다이아램프 윈도우의 1/5∼1/2인 폴리실리콘 히터인 것을 특징으로 하는 평면형 마이크로 가스센서.
- 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 다이아램프 윈도우 상에 형성되는 히터 및 온도센서와 감지막 전극쌍은 다결정실리콘, 인 도핑된 다결정 실리콘 및 붕소 도핑된 다결정실리콘중 어느 하나에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 평면형 마이크로 가스센서.
- 제 1 항에 있어서, 상기 히터는 히터와 온도 센서의 기능을 통합하도록 다결정실리콘, 인이 도핑된 다결정실리콘, 및 붕소가 도핑된 다결정실리콘중 어느 하나에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 평면형 마이크로 가스센서.
- 제 1 항에 있어서, 상기 절연성지지막은 Si3N4/SiO2/Si3N4/SiO2의 4중층 구조이며, 각각Si3N4의 두께가 100∼5000Å,SiO2의 두께가 0.1∼3㎛인 것을 특징으로 하는 평면형 마이크로 가스센서.
- 제 1 항에 있어서, 상기 절연성 지지막은 Si3N4/SiO2/Si3N4의 3중층 구조이며, Si3N4의 두께가 200∼5000Å, SiO2의두께가 0.1∼3㎛인 것을 특징으로 하는 평면형 마이크로 가스센서.
- 제 1 항에 있어서, 상기 절연성 지지막은 SiO2/Si3N4의 이중층 구조이며, Si3N4의 두께가 200∼5000Å, SiO2의 두께가 0.1∼3㎛ 인 것을 특징으로 하는 평면형 마이크로 가스센서.
- 제 1 항에 있어서, 상기 절연성지지막은 PSG/Si3N4의 이중층구조이며, Si3N4의 두께가 200∼5000Å, PSG의 두께가 0.1∼3㎛인 것을 특징으로 하는 평면형 마이크로 가스센서.
- p-형 또는 n-형 실리콘웨이퍼 기판의 양면에 일정 두께의 절연성 지지막을 화학 기상 증착법을 이용하여 형성하고, 제 1 마스크를 이용하여 패터닝함으로써, 하부 절연성 지지막을 에칭하는 단계와;제 2 마스크를 이용하는 RF 마그네트론 스퍼터링으로 상부 절연성 지지막에 Pt/Ti, Pt/Ta 또는 Pt/Cr의 이중층을 형성하여, 상기 절연성 지지막 상에 동일 평면으로 히터 및 온도 센서와 전극쌍을 형성하는 단계와;SnO2,ZnO, WO3또는 Ga2O3의 졸 용액 또는 전국체 용액을 상부 절연성 지지막의 전면에 스핀코팅하고, 600℃의 온도에서 0.5∼2시간 열처리한 후, 제 3 마스크 공정을 이용하여, 스핀코팅된 SnO2 ,ZnO, WO3또는 Ga2O3막을 포토리소그래피 공정 및 에칭하여, 상기 전극쌍 상에 가스 감지막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 평면형 마이크로 가스센서 제조 방법.
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Legal Events
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20070208 Year of fee payment: 6 |
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| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |