KR100489303B1 - 다이아몬드 필름 가스 센서 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다이아몬드 필름 가스 센서 및 이 센서의 제조방법에 관한 것으로서, 상·하부 Si 웨이퍼, SiO₂ 박막, 폴리실리콘 박막과 다이아몬드 필름 감지막을 상하로 관통하는 관통구를 포함하고, 다이아몬드 필름 감지막의 관통구의 가장자리를 머리빗 형태(comb style)로 성형함으로써, 가스의 흐름을 원활하게 하기 위한 별도의 추가 장치를 설치하지 않더라도 가스 검출을 위한 다이아몬드 필름 감지막에 도달되는 가스의 흐름을 원활하게 함과 아울러 가스와 반응하는 박막의 표면적을 증가시킴으로써 검출대상가스를 보다 높은 감도로 검출할 수 있다.

Description

다이아몬드 필름 가스 센서 및 이의 제조방법{Diamond film gas sensor and method of making the same}

본 발명은 다이아몬드 필름 가스 센서 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 상·하부 Si 웨이퍼, SiO₂ 박막, 폴리실리콘 박막과 다이아몬드 필름 감지막을 상하로 관통하는 관통구를 포함하고, 다이아몬드 필름 감지막의 관통구의 가장자리를 머리빗 형태(comb style)로 성형함으로써, 가스 검출을 위한 다이아몬드 필름 감지막에 도달되는 가스의 흐름을 원활하게 하고, 가스와 반응하는 감지막의 표면적을 증가시킴으로써 검출대상가스를 보다 높은 감도로 검출할 수 있게 한 다이아몬드 필름 가스 센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

현재 주로 특정가스 검출을 위해 사용되고 있는 가스센서는 SnO 박막 등을 이용하는 경우가 대부분이며, 이러한 검출가스에 대한 감지막의 변경을 통하여 다양한 가스의 검출을 가능하게 하고 있다. 이러한 기존의 가스센서의 경우 그 검출원리는 주로 흡착되는 가스에 의하여 감응막에 나타나는 전기전도성 변화를 이용하는 것에 있었는데, 이때 검출대상가스와 감응막의 원활한 반응을 위하여 백금히터 등으로 감응막을 일정한 온도로 가열하게 된다. 즉, 감응막에 흡착되는 가스와 감응막의 성분이 보다 원활하게 반응하도록 하기 위하여 감응막을 가열하게 되며 이러한 가열 조건은 가스센서의 뒷면에 설치된 히터 구조를 통해 일어난다. 이러한 가열과정은 히터의 구동을 통해 얻어지는데 이 과정에서 많은 전력 손실이 발생하며 가열과정이 센서 전체와 특히 감응막에 영향을 미쳐 사용시간이 단축되는 문제점을 야기시키는 경향이 있다.

이러한 문제점을 보완하기 위한 대안으로서, 감응막으로 다이아몬드 필름 감지막을 이용하는 가스센서가 개발되고 있으며 이러한 다이아몬드 필름 가스 센서의 경우 히터를 사용하여 감응막을 가열하지 않아도 되는 장점을 지니고 있다. 이와 같은 다이아몬드 필름 감지막을 이용하는 가스센서의 경우 기존의 감응막을 이용하는 센서에 비하여 가열조건이 필요 없고 검출대상가스의 표면 흡착이 없어 기존의 센서의 문제점을 상당 부분 해결할 수 있었다. 그러나, 이러한 센서의 경우 감응막 표면에 부착되는 검출대상가스의 흐름이 원활하지 않아 측정감도가 양호하지 못한 문제점이 있었다.

이러한 가스 흐름 문제를 해결하기 위하여 송풍용 소형 펌프를 설치하는 등 다양한 방법을 사용하고 있으나, 이러한 별도 구성부품 설치시 센서가 소형화되지 못하는 문제점이 있게 된다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 더욱 효율적으로 해결하기 위하여 제공된 것으로서, 그 목적은 다이아몬드 필름 가스 센서에 있어서 별도의 구성부품을 설치하지 않더라도 검출대상가스의 흐름을 원활하게 할 수 있음에 따라 우수한 측정감도 및 검출분해능을 갖는 다이아몬드 필름 가스 센서 및 이의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 다이아몬드 필름 가스 센서구조는 상·하부 Si 웨이퍼, SiO₂ 박막, 폴리실리콘 박막, 다이아몬드 필름 감지막, 그리고 한 쌍의 전극을 포함하여 구성되는 다이아몬드 필름 가스 센서에 있어서, 검출 가스의 흐름을 원활하게 하기 위해, 상기 한 쌍의 전극 사이에 형성되고, 상·하부 Si 웨이퍼, SiO₂ 박막, 폴리실리콘 박막과 다이아몬드 필름 감지막을 상하로 관통하는 관통구를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다이아몬드 필름 가스 센서 중 상기 다이아몬드 필름 감지막의 관통구의 가장자리는, 검출가스와의 접촉 면적을 증가시키기 위해, 머리빗 형태(comb style)로 성형되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 다이아몬드 필름 가스 센서의 제조방법은 하부 Si 웨이퍼, SiO₂ 박막, 상부 Si 웨이퍼, 폴리실리콘 박막, 다이아몬드 필름 감지막을 순차적으로 도포하는 단계; 마스크를 이용하여 상기 다이아몬드 필름 감지막이 관통구멍을 갖고, 상기 관통구멍의 가장자리가 머리빗 형태가 되도록 RIE 에칭(Reactive Ion Etching)하는 단계; 상기 폴리실리콘 박막을 HF 용액으로 에칭하는 단계; 상기 상·하부 Si 웨이퍼를 TMAH(Tetramethyl Ammonium Hydroxide) 용액으로 에칭하는 단계; 상기 SiO₂ 박막을 BHF(Buffered Oxide Etchant)로 에칭하는 단계를 포함하고, 상기 과정으로 인해 상기 상·하부 Si 웨이퍼, SiO₂ 박막, 폴리실리콘 박막, 다이아몬드 필름 감지막을 연통하는 관통구가 생기는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명에 따른 다이아몬드 필름 가스 센서 및 이의 제조방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 살펴보지만, 본 발명이 이들에 한정되는 것은 아니다.

도 1a는 본 발명의 다이아몬드 필름 가스 센서의 개략적인 정면구성도이며, 도 1b는 본 발명의 다이아몬드 필름 가스 센서의 개략적인 평면구성도이다. 도 1a 및 1b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다이아몬드 필름 가스센서는 하부 Si 웨이퍼(12), SiO₂ 박막(14) 및 상부 Si 웨이퍼(16)가 순차적으로 적층된 형태를 갖는 SOI 웨이퍼(Silicon On Insulator; 10), 폴리실리콘 박막(20), 다이아몬드 필름 감지막(30)과 한 쌍의 전극(40)을 포함하도록 구성되어 있다. 이러한 구성에서 검출 가스의 흐름을 원활하게 하기 위하여 관통구(50)가 구비되어 있는데, 이러한 관통구는 상기 한 쌍의 전극(40) 사이에 형성되며, 검출가스가 순차적으로 적층된 SOI 웨이퍼(10), 폴리실리콘 박막(20)과 다이아몬드 필름 감지막(30)을 상하로 관통할 수 있도록 형성되어 있다. 또한, 이러한 구성에서 검출 가스와의 접촉 면적을 증가시켜 가스와 더욱 원활히 반응할 수 있도록 하기 위하여 상기 다이아몬드 필름 감지막(30)의 관통구의 가장자리는 머리빗 형태로 성형될 수 있다.

도 2는 본 발명의 다이아몬드 필름 가스 센서의 제작 공정도로서, 도시된 바와 같이, 먼저 SOI 웨이퍼(10) 상면에 폴리실리콘 박막(20)을 도포한 후 그 상단에 다이아몬드 필름 박막(30)을 도포한다. 이때, 상기 폴리실리콘 박막(20)은 다이아몬드 필름 감지막(30)과 SOI 웨이퍼(10)의 간부에 배치되어 이들을 분리시키는 역할을 수행하는 것으로, 도핑처리하지 않은 폴리실리콘 박막(un-doped polysilicon)을 CVD(Chemical Vapor Deposition) 공정을 이용하여 그 두께가 1∼3㎛가 되도록 하여 SOI 웨이퍼(10) 상면에 도포한다. 측정용 감응막인 다이아몬드 박막 또한 그 두께가 1∼3㎛가 되도록 그 상면에 도포한다. 이어, 마스크를 이용하여 다이아몬드 필름 감지막(30)에 관통구멍을 형성하고, RIE 에칭(Reactive Ion Etching)을 수행하여 관통구멍의 가장자리가 필요한 패턴의 머리빗 형태가 되도록 한다. 그런 다음, 희생층으로 사용되는 폴리실리콘 박막(20)을 HF 용액을 사용하여 전부 에칭함으로써, 머리빗형 감응막(30)을 SOI 웨이퍼(10)의 표면에서 분리시킬 수 있게 된다. 이후, 웨이퍼(10)의 중심부를 습식에칭 방법에 의해 관통시키는 공정을 수행하게 되는데, 먼저 상기 웨이퍼의 상·하부 Si 웨이퍼(12, 16)를 에칭한 후 중심부의 SiO₂ 박막(14)을 에칭함으로써 관통구가 연결·형성된 SOI 웨이퍼(10)가 완성되게 된다. 이때, SOI 웨이퍼(10)의 상·하부 Si 웨이퍼는 TMAH(Tetramethyl Ammonium Hydroxide) 용액을 사용하여 상·하방향으로 에칭하게 되며, 이때 25% TMAH용액을 사용하여 90℃에서 0.8㎛/min의 에칭속도를 얻게 되고, SOI 웨이퍼의 산화물층인 SiO₂ 박막층(14)은 BHF(Buffered Oxide Etchant)를 이용하여 에칭하여 주면, 결국 상기 상·하부 Si 웨이퍼, SiO₂ 박막, 폴리실리콘 박막과 다이아몬드 필름 감지막을 연통하는 관통구가 형성된다. 이러한 과정이 완결된 후 한 쌍의 전극(40)을 설치함으로써 본 발명의 다이아몬드 필름 가스센서를 완성할 수 있게 된다.

이렇게 구성됨에 따라 센서구조의 하단에서 상부의 다이아몬드 필름 감응막 쪽으로 가스가 흐르는 경우 지속적인 가스 흐름이 발생하게 되고 검출면적이 증가하는 특성을 얻을 수 있게 된다. 이때 검출대상가스로서는 특히 NO_x 가스가 효과적이다.

이상에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 다이아몬드 필름 가스 센서 및 이의 제조방법에 따르면 기존의 반도체 MEMS 표준공정을 그대로 사용할 수 있으므로 공정의 호환성이 매우 우수하며 제작이 용이하며, 특히 가스의 흐름을 원활하게 하기 위한 별도의 추가 장치를 설치하지 않더라도 가스 검출을 위한 다이아몬드 필름 감지막에 도달되는 가스의 흐름을 원활하게 하고, 가스와 반응하는 박막의 표면적을 증가시킴으로써 검출대상가스를 보다 높은 감도로 검출할 수 있는 장점이 있다.

이상에서 본 발명은 기재된 실시예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

도 1a는 본 발명의 다이아몬드 필름 가스 센서의 개략적인 정면구성도.

도 1b는 본 발명의 다이아몬드 필름 가스 센서의 개략적인 평면구성도.

도 2는 본 발명의 다이아몬드 필름 가스 센서의 제작 공정도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10 : SOI 웨이퍼 12 : 하부 Si 웨이퍼

14 : SiO₂ 박막 16 : 상부 Si 웨이퍼

20 : 폴리실리콘 박막 30 : 다이아몬드 필름 감지막

40 : 전극 50 : 관통구

Claims (3)

1. 상·하부 Si 웨이퍼, SiO₂ 박막, 폴리실리콘 박막, 다이아몬드 필름 감지막, 그리고 한 쌍의 전극을 포함하여 구성되는 다이아몬드 필름 가스 센서에 있어서,

   검출 가스의 흐름을 원활하게 하기 위해, 상기 한 쌍의 전극 사이에 형성되고, 상·하부 Si 웨이퍼, SiO₂ 박막, 폴리실리콘 박막과 다이아몬드 필름 감지막을 상하로 관통하는 관통구를 포함하며,

   상기 다이아몬드 필름 감지막의 관통구의 가장자리는, 검출가스와의 접촉 면적을 증가시키기 위해, 머리빗 형태(comb style)로 성형되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 필름 가스 센서.
2. 삭제
3. 상기 제 1 항에 기재된 다이아몬드 필름 가스 센서의 제조방법으로서,

   하부 Si 웨이퍼, SiO₂ 박막, 상부 Si 웨이퍼, 폴리실리콘 박막, 다이아몬드 필름 감지막을 순차적으로 도포하는 단계;

   마스크를 이용하여 상기 다이아몬드 필름 감지막이 관통구멍을 갖고, 상기 관통구멍의 가장자리가 머리빗 형태가 되도록 RIE 에칭(Reactive Ion Etching)하는 단계;

   상기 폴리실리콘 박막을 HF 용액으로 에칭하는 단계;

   상기 상·하부 Si 웨이퍼를 TMAH(Tetramethyl ammonium hydroxide) 용액으로 에칭하는 단계;

   상기 SiO₂ 박막을 BHF(Buffered Oxide Etchant)로 에칭하는 단계를 포함하고,

   상기 과정으로 인해 상기 상·하부 Si 웨이퍼, SiO₂ 박막, 폴리실리콘 박막과 다이아몬드 필름 감지막을 연통하는 관통구가 생기는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 필름 가스 센서의 제조방법.