KR100483180B1 - α-Fe2O3감지막을 이용한 반도체가스센서 및 이의제조 방법 - Google Patents
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Abstract
α-Fe2O3 감지막을 이용해 특정가스 예를들어, 알콜, 수소, CO, 부탄 등 환원성 가스에 대해 민감함 반응을 하는 반도체 가스센서 및 그 방법이 개시된다. 본 발명은 실크스크린법으로 히터부와 감지부를 알루미나 기판상에 인쇄한 후, 같은 방법으로 실버페이스트를 사용해 전극을 인쇄하고 소결한 후, 스퍼터링법으로 α-Fe2O3를 RF-스퍼터링하여 감가스재료를 도포하고 센서를 안정화시킨 다음 리드선을 장착하는 것으로 구성된다.
위와 같은 본 발명에 따르면 특정가스에 대한 감응도가 종래보다 우수한 반도체 가스센서를 제조할 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 가스센서 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 α-Fe2O3 감지막을 이용해 특정 가스에 대한 민감한 반응을 하는 반도체 가스센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 가스센서는 반도체의 특성을 이용해 가스의 누출여부 측정 및 상온상에서의 농도측정 등에 사용되는 센서로서 접촉 연소 또는 반도체 저항변화 방식 등이 있으며, 일루미나 소결체에 Pt, Pd 등을 촉매로서 첨가한 SnO2, 또는 ZnO 등을 소결하여 산화물 반도체로 치환한 것이다.
종래의 이와 같은 SnO2나 ZnO가 가스감지 소자의 기본물질이 되어 온 것은 각종 가스에 대한 감도가 다른 금속 산화물 반도체에 비해 비교적 높고, 다양한 첨가물질을 적용할 수 있음으로써 특정가스에 대한 선택성의 부여가 용이하다는 장점을 갖고 있기 때문이다. 여기서 감응재료의 고활성화를 실현하는데는 감응체의 고온동작, 귀금속촉매의 첨가와 감응체의 미립화에 의한 비교면적의 증가 방법 등이 고려되어야 한다.
상기 가스감응소자의 기본물질로 사용되는 SnO2나 ZnO는 일본국세이야마(Seiyama) 연구팀에 의해 제안되어 사용되거나 주연구대상이 되어 왔다. 그러나 이들 재료가 우수한 가스 감지 특성을 발휘하기 위해서는, Pt, Pd, Rh와 같은 값비싼 귀금속류의 금속촉매를 필요로 하고 또한 감응에 적절한 최적온도가 너무 높고(tm=300∼500℃), 벌크형 SnO2 가스센서의 경우 가스의 응답속도 및 감도특성은 우수하지만 습도의 영향을 받기 쉬울 뿐 아니라 선택성과 사용조건 등이 제한적이고 가스농도와 전지저항의 변화에 잘 대응하지 못하는 단점을 갖고 있다. 상기 가스감응 소자의 기본물질로 사용되는 물질 중 SnO2를 이용한 반도체 가스센서의 제조방법을 살펴보면, 1998. 8. 19자로 등록된 대한민국 특허 제 160554 호에서 개시하고 있듯이, 실리콘 기판양면에 실리콘 산화막 형성, 백금층 증착 후 발열체 형성, 실리콘 산화 증착, 가스 감지막 증착 후 형성 패턴, Al전극 증착 후 형상 패턴, 일부 식각, 식각 용액에서의 이방성 식각 및 센서 구조체 형성과 같은 복잡한 공정 등으로 이루어져 있다. 이에 대해 위 특허에서는 식각용액내에서의 식각시 Al전극보호에 중점을 둔 제조법을 공개하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점 및 과제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 RF-마그네트론 스퍼터링(RF-magnetron sputtering)을 사용하여 α-Fe2O3 박막으로 특정가스 예를 들어 알콜(C2H5OH), 수소(H
2), CO, 부탄(C4H10)등 환원성 가스등에 민감한 반응을 하는 반도체 가스센서 및 이의제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해 사용되는 α-Fe2O3는 매우 안정한 산화물로써 코런덤(corundom) 구조를 가지고 있으며, 철산화물 중에서 화학양론 조성에 벗어나는 정도가 극히 적고 정압하에서는 산소결핍형으로 n형 전도성을 나타내는 물질로 알려져 있다. 특히 α-Fe2O3는 화학적으로 안정하고 귀금속 촉매 없이도 우수한 감지특성과 소량의 SO4
-2나 4가 이온의 금속을 첨가함으로써 입자 크기제어 및 가스감지 특성이 향상되는 것으로 보고되고 있고 순수한 α-Fe2O3 박막을 환원성 가스에 대한 감지 특성이 없는 것으로 알려져 있다.
상기와 같은 α-Fe2O3를 이용하는 본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명은;
알루미나 기판상에 실크스크린법을 이용하여 히터부 및 감지부를 인쇄하는 단계(S1);
상기단계(S1) 후 실크스크린법으로 실버 페이스트(Silver Faste)를 사용해 전극을 인쇄하는 단계(S2);
상기단계(S2) 후 소성로에서 소결시키는 단계(S3);
상기단계(S3)에서의 소결 후 RF-스퍼터링법으로 α-Fe2O3를 스퍼터링하여 감가스재료를 도포하는 단계(S4); 그리고
상기단계(S4) 후 가스센서의 보정을 위해 안정화로에서 안정화시킨 다음 리스선을 장착하는 단계(S5)로 구성되는 α-Fe2O3 감지막을 이용한 반도체 가스 센서의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 반도체 가스센서를 제공한다.
여기서 상기 단계(S1)에서의 히터부는 Al2O3 기판하부에 RuO2 분말을 사용하여 스크린 프린팅법으로 제작하며, 제작시 100오옴 및 1오옴저항을 사용함이 좋고, 상기단계(S2)에서의 전극인쇄는 Al2O3 기판상부에 Pt-Ag 분말을 스크린 프린팅법으로 제작한다.
또한 단계(S3)에서의 소결은 소성로에서 800℃∼900℃로 5∼15분간 소결함이 바람직한데, 이 범위를 벗어나면 저항값이 없어지거나 불안정하고 또한 연소될 우려가 있다.
또한 단계(S4)에서의 α-Fe2O3 스퍼터링시 하부기판의 설정온도는 500℃이하로 함이 바람직하고, 이 때의 스퍼터링 시간은 박막두께 형성 및 감지도를 고려하여 3∼7시간으로 조절한다. 또한 이때의 RF전원 공급장치의 공급전력은 감지막의 시간에 따른 두께편차를 위해 100∼200W로 조절함이 바람직하다.
또한 상기단계(S4) 후에는 에칭 공정을 이용하여 가스 감지막에 도펀트(dopant) 예를들어 Pt 또는 Sn을 첨가시키거나 산소로 에칭하여 특정가스에 대한 감지도를 높일 수도 있다. 이 경우 도펀트양은 극히 미량이고 첨가시간은 30초 내지 1분이다.
또한 상기단계(S5)에서의 안정화는 안정화정도와 소성을 고려하여 안정화로에서 300∼400℃로 60∼80시간 행함이 바람직하고, 리드선은 통상의 것으로 행한다.
이하에서는 본 발명을 실시하기에 적합한 장치를 첨부도면을 참조하여 설명하면서 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 1 은 본 발명의 실시에 적합한 RF-마그네트론 스퍼터링 장치(100)를 개략적으로 나타낸 것으로서, 스퍼터링시 13.56MHz의 주파수와 0∼600W의 출력을 갖는 RF전원 공급장치(101), RF전원 공급장치(101)로부터의 인가되는 전력을 효율적으로 가하기 위한 오토매칭네트워크(102), 스퍼터링시 가스(103)의 유량을 조절하기 위한 가스유량 조절장치(104), 진공을 형성하고 유지시켜주는 진공장치(105)와, 스퍼터링 타겟(106), 하부기판(107), 타겟의 예비스퍼터링시 기판을 보호하기 위한 덮개(108) 및 가열부(109) 등으로 구성되는 챔버(111)를 포함한다.
여기서 상기 진공장치(105)는 로터리 펌프와 터보펌프를 사용하며, 스퍼터링건은 다운스트림 방식으로 하부기판(107) 고정대와 16°기울어져 있으며, 자기장 형성을 위해 스퍼터링 타겟(106) 후면에 둥근모양의 영구자석이 설치된다. 하부기판(107) 홀더는 저항발열체를 이용하여 500℃까지 가열할 수 있고, 박막의 균일성을 유지하기 위하여 50rpm까지 회전할 수 있는 모터를 기판에 연결한다. 타겟과 기판간의 거리는 40∼75mm 내에서 조절가능하고, 예비스퍼터링시 스퍼터된 원자가 기판에 증착되는 것을 막기 위해 덮개(108)가 부착된다. 챔버(111)내의 진공도는 콘벡터 게이지와 이온게이지를 이용하여 측정하고, 스퍼터링시 음극의 온도상승을 피하기 위해 냉각수를 음극에 흘려준다.
상기와 같은 장치를 이용하여 본 발명의 일시시예를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 스퍼터링 타겟을 제조하기 위해 순수한 α-Fe2O3(99.9%)분말을 사용하였으며, 프레싱(Press)과 CIP성형과정을 거쳐 공기 분위기의 전기로에서 1000℃로 소결을 실시하여 2inch직경에 1/4inch두께로 제작하였다. 또한 스퍼터링을 통해 제조된 박막과 물성의 상호 비교를 위하여 타겟의 일부는 6mm×6mm×1mm 두께의 벌크시편으로 절단 제작하여 X-선 회절(XRD) 피크 분석을 실시하였다.
또한, 스퍼터링으로 제작된 막의 가스 노출에 따른 저항값의 변화를 측정하기 위하여는 Al2O3기판의 상부에 Pt-Ag 분말을 스크린 프린팅법을 이용하여 전극 막으로 제작하고 제조된 센서의 작동온도에 따른 가스감지도 측정을 위해 Al2O3기판 하부에 RuO2 분말을 사용하여 스크린 프린팅법에 의해 제작된 히터가 부착된 기판을 사용하였다. 이렇게 제작된 전극과 히터는 각각 φ75㎛ 백금선(Pt lead wire)를 연결하여, 스테인레스로 제작된 몰드 내의 서스-핀(Sus-pin)위에 납땜하여 완성하였다.
도 2a∼2c는 상기와 같은 완성된 감지센서(200)의 모형이다.
여기서 도 a는 센서의 정면도, 도 2b는 센서의 감지부 및 도 2c는 센서의 히터부를 나타낸 도면이고, 센서(200)는 백금선(201), α-Fe2O3 박막(202), 은전극(203), 알루미늄기판(204) 및 저항체(205)로 구성됨을 알 수 있다.
한편 본 발명에 사용되는 α-Fe2O3 박막의 제조에는 전극과 히터가 스크린 프린팅 된 Al2O3기판을 사용하였다. 타겟과 기판사이의 거리는 50mm로 고정하였으며, Ar을 활성화 가스(working gas)로 사용하였다. 챔버 내부를 로터리 펌프에 의해서 5.0×10-5 torr이하로 진공도를 유지 시켰다. 초기진공을 유지한 상태에서 유량 조절기(MFC)를 이용하여 AR가스(99.999%이상의 순도)를 흘려주었다. 챔버 내부의 압력은 10∼30mtorr로 RF 전력은 100∼200W, 기판온도는 실온에서 500℃까지 변화시키면서 실험을 실시하였으며, 증착된 박막들은 필요에 따라 공기 중에서 온도를 변화시키면서 5시간동안 열처리하였다.
아래의 표 1은 증착조건을 나타낸 도표이다.
상기와 같이 제조되는 본 발며의 센서를 실험한 결과는 다음과 같다.
ㆍ 순수 α-Fe2O3 박막의 가스 감지 특성
도3는 아무것도 첨가하지 않은(In-situ)것으로 RF 전력 150W, 알곤 압력 30mTorr, 상온에서 증착한 박막의 CO, H2, LPG, C2H5OH가스에 대한 가스감지 그래프이다. 감지도 측정시 센서의 감지 온도는 300℃로 고정하였다. 실험결과 C2H5OH 3000ppm의 경우가 89.9%로 가장 우수한 감도를 나타냈으며, 1000ppm에서 72.8%, 2000ppm에서 86.5%의 감도를 나타냈다. 그러나 C4H10과 CO가스에 대해서는 거의 반응을 보이지 않았으며, H2가스의 경우에는 3000ppm의 경우에 24.4%의 낮은 감지도를 보였다. 따라서 순수한 α-Fe2O3 박막은 C2H5OH가스에 대해 높은 감도를 나타낸 반면 다른 가스에 대해서는 거의 감도가 없는 것으로 나타나 가스센서 활용으로 필수적인 에탄올에 대해 탁월한 선택성이 있는 것을 알 수 있었다.
ㆍ 플라즈마 에칭 시편의 가스감지 특성
아무것도 첨가하지 않고(In-situ) 제작한 타겟없이 알곤가스만으로 플라즈마 상태를 만들어 RF-전력 200W에서 30분동안 에칭을 실시한 후 감지도를 측정한 결과를 도4에 나타내었다. 아무것도 첨가하지 않은(In-situ) 상태에서 감도가 나타나지 않았던 CO와 C4H10가스의 경우 에칭후 가스농도 3000ppm에서 각각 22.2%, 13.3%의 감도를 나타냈으며, 24.4%의 낮은 감도를 보였던 H2 가스의 경우에도 62.5%의 높은 감도를 보였다. 또한 C2H5OH의 경우 In-situ 시편과 마찬가지로 농도 3000ppm에서 92.8%로 최고의 감도와 선택성을 나타내 에칭을 실시한 박막의 구조가 가스 감지도에 훨씬 좋은 효율을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
ㆍ LPG에 대한 가스감지 특성
In-situ. 상태에서 LPG에 대한 가스감지 특성을 알아보기 위해 LPG를 작은 용기에 담아 순수한 LPG만을 주사기에 부피측정을 위해 담은 후 농도를 변화시켜가면서 센서부에서의 감지도를 측정한 후 가스농도에 따른 감도의 변화는 위의 도3에 다른 타 가스와 잘 비교되고 있다.
첨부 그래프 상에도 잘 표현되어 있듯이 In-situ. 상태에서는 다른 가스들고 그다지 특정한 가스 감지 특성을 나타내고 있지는 않지만(오히려 알콜에 비해 감지도가 많이 떨어진다), 도 5와 같이 도펀트로 Pt를 첨가할 경우 그 양상은 많이 바뀌게 된다. Pt를 첨가할 경우 다른 가스에 대한 감지능을 많이 저하 시키는 반면 LPG에 대한 가스 감지능은 향상 시킨다. 또 In-situ.에서와는 다르게 가스의 농도 변화에 따라 그의 감지능은 직선형으로 변화하고 있다.
ㆍ H2에 대한 가스 감지 특성
상기에서 열거한 것과 같은 방법으로 H2의 가스 감지 특성을 알아보기 위해 같은 실험 방법으로 In-situ.에서 H2의 가스 감지 특성을 측정한 것은 도 3에 잘 나타나 있다. 그리고 도 3에 잘 나타나 있듯이 LPG의 경우와 마찬가지로 H2도 마찬가지로 알콜 등의 타 가스에 비해 감지능이 많이 뒤떨어지고 있다. 그래서 상기의 경우와 마찬가지로 이번에는 Sn을 도펀트로 사용한 결과 아래 도 6와 같이 H2의 감지도가 Pt 도핑시의 LPG의 경우와 마찬가지 결과를 얻었다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따르면 α-Fe2O3를 사용하여 RF-마그네트론 스퍼터링법으로 반도체 가스센서를 제조함으로서 종래의 방법에서보다 특히, Pt 또는 Sn을 도펀트로 사용하는 경우에 특정가스에 대한 감응도가 상당히 증가되었으며, 그 제조방법 또한 간단하여 종래의 방법에서 보다 경제적으로 반도체 가스센서를 제조할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만 본 기술의 당업자들은 하기의 특허청구범위 내에서 본 발명의 사상 및 영영으로부터 본 발명을 다양하게 수정 및 변형시킬 수 있음을 이해할 것이다.
도 1 은 본 발명에 사용되는 스퍼터링 장치의 개략도.
도 2 는 본 발명으로 제조되는 센서의 모형도.
도 3 는 in-situ 상태에서의 α-Fe2O3 박막의 감지도를 나타내는 도면.
도 4 는 산소에칭의 경우가 가스감지능을 나타내는 도면.
도 5 는 Pt를 도펀트로 사용하는 경우의 가스감지능을 나타내는 도면. 그리고
도 6 는 Sn을 도펀트로 사용하는 경우의 가스 감지 능을 나타내는 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 스퍼터링 장치 101 : RF전원 공급 장치
102 : 오토매칭네트워크 103 : 가스
104 : 가스유량 조절장치 105 : 진공장치
106 : 스퍼터링 타겟 107 : 하부기판
108 : 덮개 109 : 가열부
111 : 챔버
Claims (11)
- 알루미나 기판상에 실크스크린법을 이용하여 히터부 및 감지부를 인쇄하는 단계(S1);상기단계(S1) 후 실크스크린법으로 실버 페이스트(Silver Faste)를 사용해 전극을 인쇄하는 단계(S2);상기단계(S2) 후 소성로에서 소결시키는 단계(S3);상기단계(S3)에서의 소결 후 RF-스퍼터링법으로 α-Fe2O3를 스퍼터링하여 감가스재료를 도포하는 단계(S4); 그리고상기단계(S4) 후 가스센서의 보정을 위해 안정화로에서 300~400℃, 60~80 시간의 조건으로 행하여 안정화시킨 다음 리스선을 장착하는 단계(S5)로 구성됨을 특징으로 하는 α-Fe2O3 감지막을 이용한 반도체 가스 센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서 상기 단계(S1)에서의 히터부는 Al2O3 기판하부에 RuO2 분말을 사용하여 스크린 프린팅법으로 제작하며 제작시 100오옴 및 1오옴저항을 사용하고, 상기단계(S2)에서의 전극인쇄는 Al2O3 기판상부에 Pt-Ag 분말을 스크린 프린팅법으로 제작함을 특징으로 하는 α-Fe2O3 감지막을 이용한 반도체 가스 센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서 상기 단계(S3)에서의 소결은 소성로에서 800∼900℃로 5∼15분간 소결함을 특징으로 하는 α-Fe2O3 감지막을 이용한 반도체 가스 센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서 상기 단계(S4)에서의 α-Fe2O3 스퍼터링시 하부기판의 설정온도는 500℃이하이며 RF전원 공급장치의 공급전력은 100∼200W로 조절함을 특징으로 하는 α-Fe2O3 감지막을 이용한 반도체 가스 센서의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서 상기 단계(S4) 후에는 에칭 공정을 이용하여 가스 감지막에 도펀트(dopant)를 첨가함을 특징으로 하는 α-Fe2O3 감지막을 이용한 반도체 가스 센서의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서 상기 도펀트는 Pt 또는 Sn이거나 산소에칭임을 특징으로 하는 α-Fe2O3 감지막을 이용한 반도체 가스 센서의 제조방법.
- 삭제
- 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 스퍼터링시간은 3∼7시간임을 특징으로 하는 α-Fe2O3 감지막을 이용한 반도체 가스 센서의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서 상기 도펀트는 30초 내지 1분간 첨가됨을 특징으로 하는 α-Fe2O3 감지막을 이용한 반도체 가스 센서의 제조방법.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되는 α-Fe2O3를 이용한 반도체 가스센서로서, 알루미나기판과, α-Fe2O3로 RF-마그네트론 스퍼터링된 박막과, RuO2로 된 히터부로 구성됨을 특징으로 하는 α-Fe2O3 감지막을 이용한 반도체 가스센서.
- 제 8 항에 있어서, 상기 센스는 도펀트로서 pt 또는 Sn을 함유하고 있음을 특징으로 하는 특징으로 하는 α-Fe2O3 감지막을 이용한 반도체 가스 센서.
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2001
- 2001-08-24 KR KR10-2001-0051912A patent/KR100483180B1/ko active IP Right Grant
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