KR100366366B1 - 반도체 센싱소자의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체형 센서에 관한 것으로, 특히 온도 편차를 최소화하고, 장기 신뢰도를 향상하기에 적당하도록 한 반도체 센싱 소자의 제조 방법에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명 반도체 센싱 소자의 제조 방법은, 정온도 계수 특성이 나타나는 첨가제를 포함한 티탄산바륨 물질을 소결하는 단계와, 상기 소결한 티탄산바륨 물질의 상하측 표면을 폴리싱 및 경면처리하여 일축 전원을 공급할 정온도 계수 기판을 형성하는 단계와, 상기 정온도 계수 기판상에 실리콘 수소화물 가스를 이용한 증착법을 이용하여 저온 실리콘 절연막을 형성하는 단계와, 상기 정온도 계수 기판 하부에 형성된 저온 실리콘 절연막을 연마법을 사용하여 제거하는 단계와, 상기 저온 실리콘 절연막상에 센싱 영역과 패드 영역을 정의한 후 센싱 물질 및 전극으로 사용할 금(Au) 페이스트를 상기 센싱 영역과 패드 영역에 선택적으로 인쇄하고 열 처리하여 센싱 물질 및 정온도계수 기판에 전원을 공급할 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.

Description

반도체 센싱 소자의 제조 방법{method for fabricating semiconductor sensing device}

본 발명은 반도체형 센서에 관한 것으로, 특히 온도 편차를 최소화하고, 장기 신뢰도를 향상하기에 적당하도록 한 반도체형 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 반도체 센서 그 중에서 기체 센서는 안정성(stability), 감도(sensitivity), 선택성(selectivity), 신속성(speed), 재현성(reversibility), 신뢰성(reliability) 등이 요구되고 있다. 이러한 기능을 나타내기 위해서는 적절한 열에너지를 가해주어 기체를 감지하는 물질을 활성화 시켜주어야 한다.이와 같은 종래 반도체 센서(기체센서)에 열에너지를 가해 주는 방식은 다음과 같은 방법을 이용하고 있다.우선 첫 번째 방법으로, 알루미나 기판의 한 면에는 기체 감지 물질을, 다른 면에는 열에너지를 줄 수 있는 저항체를 인쇄해서 열 에너지를 가해주는 방식이 있다.두 번째 방법으로, 알루미나 기판의 한 면만을 사용해서 먼저 저항체를 인쇄하고 그 위에 절연막을 두고 이 절연막 위에 다시 기체감지 물질을 인쇄하는 방식이 있다.세 번째 방법으로, 기체 감지물질을 벌크형으로 만들고 이 내부에 저항선을 삽입하는 방식이 있다.네 번째로는, 기체 감지 물질 주위에 열선을 노출시켜 열을 가해주는 방식이 있다. 이와 같은 방법 등을 이용해서 200-700℃의 온도를 유지토록 하고 있다.즉 가스나 습도센서 경보 장치에서 사용되는 반도체 센서에서는 감응특성을 나타내기 위해서 필수적으로 히터가 필요하며, 이러한 센서용 히터는 표면 온도가 200-700℃의 온도를 유지해야 가스 노출이나 습도 정도를 정확히 측정할 수 있다.이하 첨부된 도면을 참조하여 종래 기술에 따른 반도체 센서를 설명하기로 한다.도 2는 종래 기술에 따른 반도체 센서를 나타낸 도면이다.도 2에 나타낸 바와 같은 종래 개술에 따른 반도체 센서는, 알루미나 기판(Al203)위에 후막 저항체(Resister Heater), 절연막(Insulation Materials), 그리고 기체 감지 소자(Sensing materials)를 형성한 것을 나타낸 것이다(The Stannic Oxide Gas Sensor, p.11-47., 1993, CRC press)그러나 이와 같은 종래 기술에 있어서는 알루미나 기판(Al203)위에 인쇄한 저항체(Resister Heater)나 저항 열선(Insulation Materials)이 존재하고 외부전원에 의한 주울 열(Joul Heating) 때문에 다음과 같은 문제점이 존재한다.첫째, 길이와 단면적, 그리고 외부전원에 의한 발열량 조절로 정밀온도 제어가 어렵다.둘째, 기판이 서로 다른 면에 후막 저항체와 기체감지 물질을 두는 경우는 기판평탄도, 이면의 공정기술 제어 등이 매우 어려워 수율이 떨어진다.셋째, 기판 한쪽 면에 저항체회로/절연막/감지물질 순서로 만든 경우 실제 작동시 절연막과 기체 감지 물질간의 반응에 의해 감지 특성 열화가 초래 될 수 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 종래 기술의 문제점들을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 온도 편차 및 장기 신뢰도를 향상시킨 반도체 센싱 소자의 제조방법을 제공하는데 있다.이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 반도체 센싱 소자의 제조 방법은 정온도 계수 특성이 나타나는 첨가제를 포함하는 티탄산바륨 물질을 소결하는 단계와, 상기 소결한 티탄산바륨 물질의 상하측 표면을 폴리싱 및 경면 처리하여 일축 전원을 공급할 정온도 계수 기판으로 형성하는 단계와, 상기 정온도 계수 기판 상에 실리콘 수소화물 가스를 이용한 증착법을 이용하여 저온 실리콘 절연막을 형성하는 단계와, 상기 정온도 계수 기판하부에 형성된 상기 저온 실리콘 절연막을 연마법을 사용하여 제거하는 단계와, 상기 저온 실리콘 절연막상에 센싱 영역과 패드 영역을 정의한 후 센싱 물질 및 전극으로 사용할 금(Au) 페이스트를 상기 센싱 영역과 패드 영역에 선택적으로 인쇄하고 열처리하여 센싱 물질 및 정온도 계수 기판에 전원을 공급할 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.바람직하게, 상기 증착법은 화학기상 증착법 또는 물리기상 증착법 중 어느 하나를 이용하며, 상기 저온 실리콘 절연막은 5㎛ 이하의 두께로 형성한다.본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해 질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 반도체 센서의 구조를 나타낸 도면

도 2는 종래 기술에 따른 반도체 센서의 구조를 나타낸 도면도 3은 도 1 및 도 2에 나타낸 반도체 센서의 온도 편차 및 신뢰도를 설명하기 위한 테이블

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 반도체 센서 및 그의 제조 방법을 설명하기로 한다.도 1은 본 발명에 따른 반도체 센서의 구조를 나타낸 도면이다.본 발명에 따른 반도체 센서는 도 1에 나타낸 바와 같이, 정온도 계수(Positive temperature coefficient : 이하 PTC 라 약칭 함) 기판(PTC Heater)과, 상기 PTC 기판(PTC Heater)상에 형성된 절연막(Insulation Materials)과, 상기 절연막(Insulation Materials)상에 형성된 센싱 물질(Sensing materials)로 구성된다.이와 같은 본 발명 반도체 센세의 제조 방법은, 예를 들면 직경5cm, 길이5cm의 원통형으로 성형한 티탄산바륨(BaTiO3) 물질을 소결한 후. 소결한 티탄산바륨(BaTiO3) 양면을 폴리싱 및 경면 처리해서 평탄도와 이물질이 없도록 가공하여 PTC 기판(PTC Heater)을 준비한다.이어서 PTC 기판(PTC Heater)위에 실리콘 수소화물(silane) 가스를 이용해서 저온 실리콘(silicon) 절연막(Insulation Materials)을 형성한다. 이때, 절연막은 PTC 특성을 저하시키지 않는 화학기상증착(chemical vapor deposition : CVD)나 물리기상증착(PVD : physical vapor deposition)공정으로 제조한다.그 다음, PTC 기판 밑면에 형성된 절연막(Insulation Materials)은 연마법을 이용하여 제거한다.이어서 실리콘 절연막(Insulation Materials)상에 Au 잉크(paste)를 인쇄해서 전극 및 패드(도시하지 않음)를 형성한다.그 다음 전극 및 패드상에 기체 감지 소자를 후막 인쇄법으로 인쇄하고, 열처리하여 기체 감지 소자인 센싱 물질(Sensing materials)을 형성한다.이어서, 도시하지는 않았지만 소자간 분리를 위해서 웨이퍼 커팅(wafer cutting)을 해서 각각의 소자로 절단한다.이를 간략히 설명하면, BaTiO3에 PTC특성이 나타나도록 첨가제(티탄산납(PbTiO3), 산화니오비윰(Nb205), 알루미나(Al203) 및 실리카(Sio2) 등)를 넣어 제조한 PTC 기판(PTC Heater)상에 CVD(또는 PVD)공정으로 5㎛ 이하의 두께가 되도록 절연막(Insulation Materials)을 형성한다. 이때, PTC 기판(PTC Heater)밑면의 절연막(Insulation Materials)은 폴리싱이나 식각 공정으로 제거한다. 그 다음 절연막(Insulation Materials) 상에 센싱 물질(Sensing materials)을 인쇄해서 형성한다. 센싱 물질(Sensing materials)과 PTC 기판(PTC Heater)에 전극 및 전원을 연결해서 패키징하여 소자를 제조하였다.이와 같은 본 발명에 따른 반도체 센서의 센싱 물질(Sensing materials)(기체 감지 물질)을 활성화시키기 위한 필요 열에너지는, 도 2에 나타낸 바와 같은 기존의 후막 저항체나, 저항 열선을 대신해서 일정한 온도특성을 갖는 PTC(positive temperature coefficient)기판(PTC Heater)(BaTiO3 발열체 기판)을 사용해서 열을 가한다,이때, PTC기판(PTC Heater)위에 직접 기체 감지 소자인 센싱 물질(Sensing materials)을 인쇄해서 제조하는 경우에는 PTC물질(PTC Heater)과 센싱 물질(Sensing materials)간에 상호 반응에 의해서 장기 신뢰성을 저하시킬 수 있다. 따라서 이들 간에 절연막(Insulation Materials)을 형성시키므로 PTC물질(PTC Heater)과 센싱 물질(Sensing materials) 모두에 안정적인 특성을 부여할 수 있다.도 3은 도 1 및 도 2에 나타낸 반도체 센서의 온도 편차 및 신뢰도를 설명하기 위한 테이블이다.종래의 기술과 비교해서 온도편차와 장기 신뢰성에서 큰 개선 효과가 있는 것을 알 수 있다.이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함이 알 수 있을 것이다.따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

이와 같은 본 발명 반도체 센서는 온도편차와 장기 신뢰성면에서 효과가 있음을 알 수 있다.

Claims (3)

1. 정온도 계수 특성이 나타나는 첨가제를 포함하는 티탄산바률 물질을 소결하는 단계와;

   상기 소결한 티탄산바륨 물질의 상하측 표면을 폴리싱 및 경면 처리하여 일축 전원을 공급할 정온도 계수 기판으로 형성하는 단계와;

   상기 정온도 계수 기판상에 실리콘 수소화물 가스를 이용한 증착법을 이용하여 저온 실리콘 절연막을 형성하는 단계와;

   상기 정온도 계수 기판하부에 형성된 상기 저온 실리콘 절연막을 연마법을 사용하여 제거하는 단계와;

   상기 저온 실리콘 절연막상에 센싱 영역과 패드 영역을 정의한 후 센싱 물질 및 전극으로 사용할 금(Au) 페이스트를 상기 센싱 영역과 패드 영역에 선택적으로 인쇄하고 열처리하여 센싱 물질 및 정온도 계수 기판에 전원을 공급할 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 센싱 소자 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 증착법은 화학기상 증착법 또는 물리기상 증착법 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체 센싱 소자 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 저온 실리콘 절연막은 5㎛ 이하의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 센싱 소자 제조 방법.