KR100537093B1 - Ｍｅｍｓ 구조물을 이용한 탄소나노튜브 가스센서 및 그제작방법 - Google Patents

Ｍｅｍｓ 구조물을 이용한 탄소나노튜브 가스센서 및 그제작방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로머시닝(microelectromechanical system, MEMS) 기술로 제작된 구조물 위에 탄소나노튜브를 직접 성장시켜 탄소나노튜브를 가스센서의 감응물질로 적용한 탄소나노튜브 가스센서 및 그 제작방법에 관한 것이다. 본 발명에 따라 제작된 탄소나노튜브 가스센서는 고민감도이며, 상온 동작이 가능하며, 크기를 소형화 및 집적화시키고 전력소모를 줄일 수 있다. 또한 감응 가스의 종류가 다양하여 가스센서 어레이로의 개발 가능성이 크다.

Description

ＭＥＭＳ 구조물을 이용한 탄소나노튜브 가스센서 및 그 제작방법{CARBON NANOTUBES BASED GAS SENSOR ON MEMS STRUCTURE AND METHOD FOR FABRICATING THEREOF}
본 발명은 MEMS 구조물을 이용한 탄소나노튜브 가스센서 및 그 제작방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마이크로머시닝(microelectromechanical system, MEMS) 기술로 제작된 구조물 위에 탄소나노튜브를 직접 성장시켜 탄소나노튜브를 가스센서의 감응물질로 적용한 탄소나노튜브 가스센서 및 그 제작방법에 관한 것이다.
일반적으로 가스센서는 가스 분자의 흡착에 따라 전기전도도가 변화하는 특성을 이용하여 유해 가스의 양을 측정하는 원리에 의해 작동된다.
종래 가스센서의 감응물질로는 SnO2 등의 금속 산화물 반도체, 고체 전해질 물질, 다양한 유기물질, 그리고 카본 블랙(carbon black)과 유기물의 복합체 등이 널리 사용되어 왔다. 그런데 이러한 감응 물질로 이루어진 가스센서의 경우 많은 문제점이 있다. 예를 들어, 금속 산화물 반도체나 고체 전해질의 경우에는 상온에서 감도가 매우 낮기 때문에 가스와 감응 물질간의 반응을 향상시키기 위해 200 ℃~ 600 ℃ 또는 그 이상의 온도로 가열하여야 센서의 동작이 정상적으로 이루어지고, 유기물질의 경우에는 전기 전도도가 매우 낮으며, 카본 블랙과 유기물의 복합체는 매우 낮은 감도(sensitivity)를 가지고 있다.
이에 비하여 최근 신소재 소자로 각광받고 있는 탄소나노튜브(carbon nanotube)는 상온에서 동작이 가능하고, 감도가 매우 좋으며 반응 속도가 빠르다는 장점을 가지고 있다. 이러한 장점은 탄소나노튜브가 갖는 물성에서 기인하는데, 탄소나노튜브는 육각형 고리로 연결된 탄소들로 이루어진 흑연 판상(sp2)을 둥글게 말아서 생긴 튜브 형태의 분자로 그 직경이 수 내지 수십 nm에 이른다. 탄소나노튜브는 강도가 강하면서도 잘 휘고 계속적인 반복 사용에도 손상되거나 마모되지 않으며, 또한 말린 형태와 구조 및 직경에 따라 전기적 특성이 달라진다. 뿐만 아니라, 탄소나노튜브는 부피에 비하여 표면적이 매우 큰 물질이므로 표면 반응성이 종래의 가스 감응물질보다 높다. 또한, 탄소나노튜브는 가스 감응 후 흡착된 가스를 탈가스시켜 원상태의 전기전도도로 복귀하는 특성을 가지고 있어 반복적인 가스 측정을 하더라도 성능의 저하가 이루어지지 않는다 (Jimg Kong, "Nanotube molecular wires as chemical sensors", Science, 2000; O. K. Varghese, "Gas sensing characteristics of multi-wall carbon nanotubes", Sensors and Autuators, 2001).
종래의 제작방법에 따라 만들어진 가스센서로는 백금선(1-1)의 온도에 대한 저항변화를 이용하는 접촉 연속식 가스센서(도 1)와, 공기성분과 반도체 표면(2-1)의 화학적인 상호작용에 의해 그 표면의 전도전자의 밀도변화를 이용하는 마이크로 가스센서(도 2) 등이 있었으나, 최근 가스센서의 제작기술은 고감도화 및 소형화 추세로 개발되고 있으며, 실리콘 웨이퍼에 마이크로머시닝 기술을 이용하여 완충기(buffer), 증폭기(amplifier), 변환기(converter) 등과 같은 신호 처리 회로를 내장하는 등 고집적화 기술로 발전하고 있다. 또한 구조적으로 적용되는 방식은 히터 기술, 주변 회로와의 열적 절연을 위한 다이아프램(diaphragm) 구조와 에어 브릿지(air bridge) 방식이 적용되고 있는 추세이다 (C. Hagleitner, "Smart single-chip gas sensor microsystem", Nature, 2001; Philip C. H. Chan, "An integrated gas sensor technology using surface micro-machining", IEEE-MEME 2001 conference, 2001).
따라서 가스센서의 구조를 감지부, 전극 및 히터의 부분으로 나누어 볼 때, 고감도화는 감지부의 재료(SnO2, ZnO, Fe2O3, TiO2 등)와 제조공정의 개선을 통해 이루어지고 있으며, 소형화는 감지부, 전극과 히터의 종합적인 개량으로 얻어지고 있다. 또한 가스 센서의 디자인은 감지 특성에 영향을 줌은 물론, 소비전력의 감소 및 제조상 경제성에 큰 잇점을 제공한다는 점에서 중요하다. 최근에는 또한 고감도, 소형화 및 빠른 응답속도 등의 특성을 향상시키기 위하여 GaAs 기판, SOI 기판 등에 CMOS 등을 집적화시키며 소자 보호를 위한 패키징 연구가 진행되고 있다.
이러한 기술 동향에 발맞춰 본 발명자들 또한 종래 가스센서의 단점을 보완하는 새로운 가스센서의 제작을 위해 연구 노력을 거듭한 결과, 마이크로머시닝 기술로 제작한 구조물에 탄소나노튜브를 감응 물질로 적용함으로써 상온에서 동작이 가능하고, 종래의 가스센서에 비해 감응속도를 향상시킬 수 있는 가스센서를 착안하였고, 나아가 탄소나노튜브가 상온 상태에서 원상태로 복귀하는데 소요되는 시간을 단축시키기 위해서는 열을 가해줄 히터가 필요하므로 이에 열손실을 줄이기 위한 구조적 설계를 거듭한 끝에 본 발명을 완성하였다.
본 발명에 따른 가스센서는 감응 특성면에서 측정 가능한 가스의 종류도 다양하며, 그 구분 역시 명확하므로 가스센서 어레이로서의 가능성이 크다.
또한 구조적으로 탄소나노튜브의 구조가 원형의 튜브 형태이므로 단위 면적당 표면적이 종래의 가스센서보다 넓어서 소형화가 가능하고, 마이크로머시닝 구조물을 사용하여 집적화 및 칩스케일의 제품화를 가능하게 하는데 의의가 있다. 그리고 소형화 및 집적화를 위해서 마이크로머시닝 기술로 제작된 미세구조물에 탄소나노튜브를 직접 성장시킴으로써 더욱 소형화 및 집적화를 가능하게 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 탄소나노튜브를 감응물질로 사용함으로써 고감도이며 상온 동작이 가능한 탄소나노튜브 가스센서를 제공하는 것이다.
또다른 본 발명의 목적은 마이크로머시닝 기술로 제작한 미세 구조물에 탄소나노튜브를 직접 성장시킴으로써 소형화 및 집적화 가능한 탄소나노튜브 가스센서를 제공하는 것이다.
또다른 본 발명의 목적은 가스센서의 구성에 히터(heater)를 포함시킴으로써 탄소나노튜브가 상온 상태에서 원상태로 복귀 가능한 탄소나노튜브 가스센서를 제공하는 것이다.
또다른 본 발명의 목적은 상기 가스센서의 제작방법을 제공하는 것이다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 가스센서의 제작방법은,
- 기판을 구비하는 단계,
- 상기 기판 상하부에 각각 절연층과 보호층을 형성하는 단계,
- 기판 상부에 형성된 상기 절연층 위에 히터를 형성하고 히터와 연결되어 있는 히터전극을 형성하는 단계,
- 상기 히터 위에 절연층을 형성하는 단계,
- 상기 절연층 위에 전극라인과 탄소나노튜브전극을 형성하는 단계,
- 상기 탄소나노튜브전극 위에 촉매금속을 형성하는 단계,
- 기판의 하부를 식각하여 다이아프램을 제작하는 단계,
- 탄소나노튜브를 성장시키는 단계,
- 홀이 가공되어 있는 캡으로 패키징하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 또다른 탄소나노튜브 가스센서의 제작방법은,
- 기판을 구비하는 단계,
- 상기 기판을 식각하여 채널을 제작하는 단계,
- 상기 기판 전체면에 절연층을 형성하는 단계,
- 채널 양면에 히터를 증착하는 단계,
- 기판 상부에 히터와 연결되어 있는 히터전극을 증착하는 단계,
- 상기 히터 위에 절연층을 형성하는 단계,
- 상기 절연층 위에 탄소나노튜브전극 및 촉매금속을 형성하는 단계,
- 탄소나노튜브를 채널 양쪽 전극 사이에 성장시키는 단계,
- 홀이 가공되어 있는 캡으로 패키징하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브 가스센서는,
- 기판 하부에 형성되어 있는 보호층,
- 다이아프램 구조로 제작되어 있는 기판,
- 상기 기판 상부에 형성되어 있는 절연층,
- 상기 절연층 위에 형성되어 있는 히터와 히터전극,
- 상기 히터 위에 형성되어 있는 절연층,
- 상기 절연층 위에 형성되어 있는 탄소나노튜브전극과 전극라인,
- 상기 탄소나노튜브전극 위에 형성되어 있는 촉매금속,
- 상기 촉매금속 위에 형성되어 있는 탄소나노튜브,
- 홀이 가공되어 있는 캡으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 또다른 탄소나노튜브 가스센서는,
- 채널을 포함하는 벌크 구조로 제작되어 있는 기판,
- 상기 기판 전체면에 형성되어 있는 절연층,
- 상기 채널 양면에 형성되어 있는 히터와 기판 상부에 형성되어 있는 히터전극,
- 상기 히터 위에 형성되어 있는 절연층,
- 상기 절연층 위에 형성되어 있는 탄소나노튜브전극과 촉매금속,
- 상기 채널 양쪽의 탄소나노튜브전극 사이에 형성되어 있는 탄소나노튜브,
- 홀이 가공되어 있는 캡으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 가스센서 및 그 제작방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 가스센서에 대하여 설명한다.
도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 가스센서는 기판(3-1) 상하부에 각각 절연층(3-2)과 보호층(3-2)이 형성되어 있고, 절연층(3-2) 위에 히터(3-3)와 히터전극(3-4)이 형성되어 있다. 히터 위에는 또다른 절연층(3-5)이 형성되어 있고, 그 위에 탄소나노튜브전극(3-6)과 전극라인(3-7)이 형성되어 있다. 상기 탄소나노튜브전극(3-6) 위에 촉매금속(3-8)이 형성되어 있으며, 그 위에 탄소나노튜브(3-9)가 형성되어 있다. 기판(3-1) 하부는 비등방성 식각되어 다이아프램(3-11)이 제작되어 있으며, 홀이 가공되어 있는 캡(3-10)으로 패키징되어 있다.
도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 또다른 탄소나노튜브 가스센서는 기판(4-1)에 채널이 형성되어 있고, 그 기판(4-1)의 상부 표면 전체(채널 포함)에 절연층(산화막)이 형성되어 있다. 상기 채널 양면에는 히터(4-2)가 형성되어 있고, 그 위에 절연층(4-4)이 형성되어 있다. 히터(4-2)와 연결되는 히터전극(4-3)이 기판(4-1) 상부에 형성되어 있다. 상기 절연층(4-4) 위에는 탄소나노튜브전극(4-5)과 촉매금속(4-5)이 형성되어 있으며, 채널 양쪽의 탄소나노튜브전극(4-5) 사이에 탄소나노튜브(4-6)가 형성되어 있으며, 홀이 가공되어 있는 캡(4-7)으로 패키징되어 있다.
그러면, 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다이아프램 구조의 탄소나노튜브 가스센서의 제작 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 도 3a에 도시한 바와 같이 실리콘 기판(3-1)의 상부와 하부에 각각 절연층(3-2)과 보호층(3-2)을 형성한다. 기판 상부의 절연층(3-2)은 실리콘 기판과 히터 및 상부의 소자를 절연시키는 역할을 한다. 절연층은 SiO2를 이용하여 실리콘 산화막으로 형성할 수 있으며, 또는 다른 절연 특성을 가지는 물질을 이용할 수도 있다. 또한 기판 하부의 보호층(3-2)은 다이아프램을 제작하기 위해서 실리콘을 식각할 때 필요한 부분만 식각되게 하는 실리콘 보호층의 역할을 한다. 보호층은 SiO2/Si3N4를 이용하여 실리콘 산화막/질화막으로 형성할 수 있다. 절연층 및 보호층의 두께는 공정의 편의상 500 nm 이상으로 형성하는 것이 좋으며, 이보다 얇을 경우에는 절연 및 보호 기능을 충분히 수행하지 못할 수 있다.
기판 상부의 절연층(3-2) 위에 히터(3-3) 및 이와 연결되는 히터전극(3-4)을 형성한다. 히터는 탈가스를 위한 가열 시스템의 역할을 한다. 다시 말하면, 가스센서로 재사용하기 위하여는 탄소나노튜브에 흡착되어 있는 가스 분자를 재빨리 제거하여야 하며, 그 방법의 하나로 히터를 사용하는 것이다. 히터의 재료로는 금속 또는 폴리실리콘을 사용할 수 있으며, 상기 히터 및 히터전극의 금속으로는 Pt, Ti, Cr 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 포토리소그래피(photolithography)으로 패턴을 제작하고 일반적인 박막 공정, 예컨대 스퍼터증착, 이온빔증착, 화학기상증착(CVD), 습식식각(wet etching) 또는 건식식각(dry etching) 공정을 이용하여 히터 및 히터전극을 형성할 수 있다. 히터의 패턴은 정형화된 형태가 없으며, 한개의 라인으로 이어져 있기만 하면 구불구불한 형태로도 제작할 수도 있다. 히터의 두께는 0.5 ~ 1 ㎛로 형성하는 것이 전류수송에 있어 이상적이다.
다음, 도 3b에 도시한 바와 같이 히터(3-3) 위에 절연층(3-5)을 형성한다. 이 절연층은 히터와 센서 감응부인 탄소나노튜브 사이를 절연시키는 역할을 하며, 히터전극을 제외한 히터 부분의 금속 또는 폴리실리콘 위에 형성된다. 절연층은 실리콘 산화막이나 실리콘 질화막 중의 어느 하나로 형성할 수 있으며, 또는 다른 절연 특성을 가지는 물질(예컨대 세라믹 등)을 이용할 수도 있다. 절연층은 히터 두께 이상의 두께를 갖도록 형성하는 것이 좋은데, 이는 히터 두께보다 절연층이 얇은 경우에는 히터와 그 위에 만들어질 센서 감응부간에 쇼트(short)가 발생하여 절연층으로서의 역할을 할 수 없게 되기 때문이다.
그리고 절연층 위로 탄소나노튜브전극(3-6)과 전극라인(3-7)을 형성한다. 탄소나노튜브전극은 양단의 전극이 일정한 길이로 마주보도록 형성하는 것이 좋다. 전극의 길이를 일정하게 함으로써 저항값을 일정하게 하여 측정의 오차를 줄일 수 있고 탄소나노튜브에 접촉하는 부위를 일정하게 유지할 수 있어 유리하다. 또한 탄소나노튜브전극은 미세 저항 측정이 용이한 형태로 형성하는 것이 좋다. 또한 탄소나노튜브의 성장 길이가 약 2 ㎛에서 5 ㎛ 정도인 것을 감안하여 탄소나노튜브전극은 이보다 작은 1 ㎛ 이하의 두께로 형성하는 것이 적절하다.
상기 히터전극 및 탄소나노튜브전극의 형성 과정 중에 이들 전극들과 캡 바깥쪽으로 연결되는 피드쓰루(feedthrough) 패턴을 리소그래피 공정을 통하여 미리 정의한다. 이는 캡이 씌여졌을 때 외부와 연결되는 회로 구성을 용이하게 하기 위함이다.
다음, 도 3c에 도시한 바와 같이 탄소나노튜브전극과 연결된 촉매금속(3-8)을 증착한다. 촉매금속은 리프트 오프(lift-off) 방법을 이용하여 형성시키며, 이온빔 리소그래피를 이용할 수도 있다. 촉매금속은 탄소나노튜브를 성장시키기 위한 촉매로서, Co, Ni, Fe 등으로 형성한다. 상기 촉매금속은 전극 양단에 연결되어 형성하는 것이 좋으며, 그 두께는 20 nm 이하로 형성하는 것이 탄소나노튜브 형성에 있어 적절한 두께이다.
그리고 실리콘 기판 하부를 약 20 ㎛ 두께로 비등방성 식각하여 다이아프램(3-11)을 제작한다. 이와 같이, 다이아프램 형태로 구조물을 형성하여 히터가 있는 기판의 두께를 최소화함으로써 히터의 열손실을 줄일 수 있고 결과적으로 가스센서의 원상회복기능을 향상시킬 수 있다. 이어, 기판을 챔버에 넣고 진공 상태를 만든 후에 가스를 주입하면서 챔버의 온도를 탄소나노튜브 성장 온도까지 올린 후에 성장 가스를 넣고 일정시간 동안 탄소나노튜브(3-9)를 미세구조물에 직접 성장시키면 도 3c에 도시한 바와 같이 탄소나노튜브가 수직 성장된다. 이 때, 탄소나노튜브간의 접촉을 증가시키는 것이 바람직하며, 탄소나노튜브를 서로 엉키도록 성장시키는 것이 좋다. 이 때, 탄소나노튜브를 성장시키는 방법으로는 1000 ℃ 이하에서 열화학기상증착법(thermal CVD)을 이용하거나 500 ℃ 이하에서 플라즈마화학기상증착법(PECVD) 등을 이용할 수 있다. 또한 탄소나노튜브를 수평 성장시킬 수도 있다. 탄소나노튜브의 수평 성장시에는 촉매를 전체적으로 증착하고 온도와 가스를 일정하게 맞추어 주면서, 탄소나노튜브를 네트워크 상태로 성장시키는 것이 좋다. 탄소나노튜브의 성장길이가 길수록 가스가 흡착되는 표면적이 넓어지므로 감도를 증가시키기 위하여 탄소나노튜브의 길이는 1 ㎛ 이상이 되도록 성장시키는 것이 좋다. 탄소나노튜브의 길이가 1 ㎛ 이하인 경우에는 감도가 적기 때문에 가스 측정에 어려움이 있다.
그리고 최종적으로 홀이 가공되어 있는 유리캡(3-10)으로 패키징한다. 패키징에 사용되는 소재로는 유리 이외에도 플라스틱을 비롯하여 비전도성 물질이라면 모두 이용할 수 있다. 가스가 흡입되는 곳을 확보하기 위하여 패키징은 100 ㎛ 이하의 구멍이 다수 뚫려 있는 캡을 제작하여 행한다. 상기 캡은 소자를 보호하고, 가스의 유입 후 변화량을 최소화하기 위한 공간을 확보하는 역할을 한다. 캡의 접합은 웨이퍼 단위로 행하며, 유리캡의 접합에는 정전열 접합을 이용하고, 플라스틱캡의 접합에는 접착제를 이용할 수 있다.
도 4a 내지 도 4d를 참조하여 본 발명의 제 2 실시예에 따른 채널을 갖는 벌크 구조의 탄소나노튜브 가스센서의 제작 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 도 4a에 도시한 바와 같이 탄소나노튜브가 성장할 수 있는 길이 등을 포함한 제반 조건을 고려하여 일정한 깊이 및 폭으로 실리콘을 식각하여 실리콘 기판(4-1)에 채널을 형성한 후, 실리콘 기판을 산화시켜 절연층을 형성한다. 채널을 상부에서 볼 때 타원 또는 다각형으로 형성할 수 있다. 절연층의 두께는 1 ㎛ 이하로 하는 것이 좋다. 절연층의 두께가 1 ㎛ 이상이 되면 채널의 아래부분이 좁아지게 되므로 주의할 필요가 있다.
다음, 도 4b에 도시한 바와 같이 리소그래피 공정을 통하여 기판을 기울여 채널 양벽면에 히터(4-2)를 형성하고, 기판 상부에 히터와 연결되는 히터전극(4-3)을 증착한다. 히터는 리소그래피를 통하여 만든 패턴에 스퍼터(sputter) 또는 E-빔(beam)을 이용하여 전극물질과 히터 물질을 증착하여 형성할 수 있다. 히터 및 히터전극의 재료로는 금속을 사용할 수 있으며, 이 때 히터 및 히터전극의 금속으로는 Pt, Ti, Cr 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 금속 이외에 폴리실리콘을 사용하여 히터를 제작할 수도 있다. 폴리실리콘을 사용한 히터가 집적화에 유리하고 공정응용성이 뛰어나 최근 그 사용이 늘고 있는 추세이다. 히터의 두께는 1 ㎛ 이하로 형성하는 것이 좋다. 채널 형태로 마주보게 되어 있는 벌크 구조의 특성상, 열발산이 채널 내부에 집중되어 열이 외부로 빠져나가는 것을 방지할 수 있다.
다음, 도 4c에 도시한 바와 같이 히터 위에 절연층(4-4)을 형성한다. 절연층은 스퍼터 또는 E-빔(beam)을 사용하여 형성할 수 있다. 절연층의 두께는 1 ㎛ 이하로 형성하는 것이 좋다.
다음, 도 4d에 도시한 바와 같이 각각의 절연층 위에 탄소나노튜브전극(4-5)을 형성하고 그 위에 촉매금속(미도시)을 증착시킨다. 탄소나노튜브전극은 금속을 재료로 하여 채널의 벽면의 절연층 위에 촉매금속과 연결되게 형성하며, 그 두께는 1 ㎛ 이하로 형성하는 것이 좋다. 촉매금속은 탄소나노튜브를 성장시키기 위한 촉매로서, Co, Ni, Fe 등으로 형성한다. 상기 촉매금속은 리프트-오프법 방식으로 채널 벽면에 탄소나노튜브전극과 연결되게 형성하며, 그 두께는 20 nm 이하로 형성하는 것이 바람직하다.
이어, 탄소나노튜브(4-6)를 양쪽의 탄소나노튜브전극(4-5) 사이에 성장시킨다. 탄소나노튜브는 열화학기상증착법(thermal CVD)이나 플라즈마화학기상증착법(PECVD) 등을 이용하여 직접 성장시킬 수 있다. 채널 구조에서는 감도를 증가시키기 위하여 탄소나노튜브를 벽면에 수직인 방향, 즉 벽면에서 벽면으로 수평 성장시키는 것이 바람직하다. 이 때 탄소나노튜브간의 접촉을 증가시키고, 탄소나노튜브를 서로 엉키도록 성장시키는 것이 좋다. 탄소나노튜브의 길이는 1 ㎛ 이상이 되도록 성장시키는 것이 좋다.
다음, 도 4e에 도시한 바와 같이 최종적으로 유리캡 또는 플라스틱캡(4-7)으로 패키징할 수 있다. 패키징에 사용되는 소재로는 유리나 플라스틱을 비롯하여 비전도성 물질이라면 모두 이용할 수 있다. 패키징은 캡, 바람직하게는 100 ㎛ 이하의 구멍이 다수 뚫려 있는 캡을 제작하여 행한다. 캡의 접합은 웨이퍼 단위로 행하며, 유리캡의 접합에는 정전열 접합을 이용하고, 플라스틱캡의 접합에는 접착제를 이용할 수 있다.
이와 같이 본 발명에서는 탄소나노튜브를 제작하여 가스센서에 적용할 수 있다.
본 발명에서는 마이크로머시닝 기술로 제작한 미세구조물에 직접 성장시킨 탄소나노튜브를 가스센서에 적용하여 고민감도이며, 상온 동작이 가능한 가스센서를 제공할 수 있으며, 또한 크기를 소형화 및 집적화시키고 전력소모를 줄일 수 있다. 또한 감응 가스의 종류가 다양하여 가스센서 어레이로의 개발 가능성이 크다. 또한 웨이퍼 레벨의 반도체 공정 및 칩스케일의 패키징을 통해 상용 제품으로서의 생산 및 생산비용의 절감 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 접촉 연소식 가스센서를 도시한 도면,
도 2는 종래의 기술에 따른 마이크로 가스센서를 도시한 도면,
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 탄소나노튜브 가스센서(다이아프램 구조)의 제작과정을 도시한 도면,
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 탄소나노튜브 가스센서(채널을 갖는 벌크 구조)의 제작과정을 도시한 도면,
도 5와 도 6은 각각 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 가스센서(5: 다이아프램 구조, 6: 채널을 갖는 벌크 구조)를 도시한 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
3-1, 4-1: 기판
3-2, 3-5, 4-4: 절연층 또는 보호층
3-3, 4-2: 히터
3-4, 4-3: 히터전극
3-6, 4-5: 탄소나노튜브전극
3-8, 4-5: 촉매금속
3-9, 4-6: 탄소나노튜브

Claims (25)

  1. 기판을 구비하는 단계,
    상기 기판 상하부에 각각 절연층과 보호층을 형성하는 단계,
    기판 상부에 형성된 상기 절연층 위에 히터를 형성하고 히터와 연결되어 있는 히터전극을 형성하는 단계,
    상기 히터 위에 절연층을 형성하는 단계,
    상기 절연층 위에 전극라인과 탄소나노튜브전극을 형성하는 단계,
    상기 탄소나노튜브전극 위에 촉매금속을 형성하는 단계,
    기판의 하부를 비등방성 식각하여 다이아프램을 제작하는 단계,
    탄소나노튜브를 성장시키는 단계,
    홀이 가공되어 있는 캡으로 패키징하는 단계를 포함하는 탄소나노튜브 가스센서의 제작방법.
  2. 기판을 구비하는 단계,
    상기 기판을 식각하여 채널을 제작하는 단계,
    상기 기판 전체면에 절연층을 형성하는 단계,
    상기 채널 내부 양 측면에 히터를 증착하는 단계,
    기판 상부에 상기 히터와 연결되는 히터전극을 증착하는 단계,
    상기 채널 내부 양 측면의 히터 위에 절연층을 형성하는 단계,
    상기 채널 내부 양 측면의 절연층 위에 탄소나노튜브전극을 형성하는 단계,
    상기 채널 내부 양 측면의 탄소나노튜브전극 위에 촉매금속을 형성하는 단계,
    상기 채널 내부 양 측의 상기 탄소나노튜브전극 사이에 탄소나노튜브를 성장시키는 단계,
    홀이 가공되어 있는 캡으로 패키징하는 단계를 포함하는 탄소나노튜브 가스센서의 제작방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 절연층이 실리콘 산화막으로 이루어진 탄소나노튜브 가스센서의 제작방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 보호층이 실리콘 질화막으로 이루어진 탄소나노튜브 가스센서의 제작방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 기판 상하부의 절연층 및 보호층의 두께가 500 nm 이상인 탄소나노뷰트 가스센서의 제작방법.
  6. 제 2항에 있어서, 상기 절연층의 두께가 1 ㎛ 이하인 탄소나노튜브 가스센서의 제작방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 히터가 스퍼터증착, 이온빔증착, 화학기상증착(CVD), 습식식각(wet etching) 또는 건식식각(dry etching) 공정을 이용하여 형성되는 탄소나노튜브 가스센서의 제작방법.
  8. 제 2항에 있어서, 상기 히터가 기판을 기울여 스퍼터 또는 E-빔(beam) 공정을 이용하여 형성되는 탄소나노튜브 가스센서의 제작방법.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 히터가 금속 또는 폴리실리콘으로 이루어진 탄소나노튜브 가스센서의 제작방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 금속이 Pt, Ti 또는 Cr 중에서 선택된 탄소나노튜브 가스센서의 제작방법.
  11. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 히터의 두께가 0.5 ~ 1 ㎛인 탄소나노튜브 가스센서의 제작방법.
  12. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 히터전극이 Pt, Ti 또는 Cr 중에서 선택된 어느 하나의 금속으로 이루어진 탄소나노튜브 가스센서의 제작방법.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 히터 위의 절연층의 두께가 히터 두께 이상인 탄소나노튜브 가스센서의 제작방법.
  14. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 탄소나노튜브전극이 양단의 전극이 일정한 길이로 마주보도록 형성되는 탄소나노뷰트 가스센서의 제작방법.
  15. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 탄소나노튜브전극의 두께가 1 ㎛ 이하인 탄소나노튜브 가스센서의 제작방법.
  16. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 촉매금속이 리프트-오프 방식 또는 이온빔 리소그래피를 이용하여 형성되는 탄소나노튜브 가스센서의 제작방법.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 촉매금속의 두께가 20 nm 이하인 탄소나노튜브 가스센서의 제작방법.
  18. 제 16항에 있어서, 상기 촉매금속이 Co, Ni 또는 Fe 중에서 선택된 탄소나노튜브 가스센서의 제작방법.
  19. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 탄소나노튜브가 열화학기상증착법(thermal CVD) 또는 플라즈마화학기상증착법(PECVD)을 이용하여 직접 성장하는 탄소나노튜브 가스센서의 제작방법.
  20. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 탄소나노튜브의 길이가 1 ㎛ 이상인 탄소나노튜브 가스센서의 제작방법.
  21. 제 1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브가 수평 성장 또는 수직 성장하는 탄소나노튜브 가스센서의 제작방법.
  22. 제 2항에 있어서, 상기 탄소나노튜브가 벽면에 수직인 방향으로 수평 성장하는 탄소나노튜브 가스센서의 제작방법.
  23. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 캡이 유리 또는 플라스틱으로 이루어진 탄소나노튜브 가스센서의 제작방법.
  24. 기판 하부에 형성되어 있는 보호층,
    다이아프램 구조로 제작되어 있는 기판,
    상기 기판 상부에 형성되어 있는 절연층,
    상기 절연층 위에 형성되어 있는 히터와 히터전극,
    상기 히터 위에 형성되어 있는 절연층,
    상기 절연층 위에 형성되어 있는 탄소나노튜브전극과 전극라인,
    상기 탄소나노튜브전극 위에 형성되어 있는 촉매금속,
    상기 촉매금속 위에 형성되어 있는 탄소나노튜브,
    홀이 가공되어 있는 캡으로 이루어진 탄소나노튜브 가스센서.
  25. 채널을 포함하는 벌크 구조로 제작되어 있는 기판,
    상기 기판 전체면에 형성되어 있는 절연층,
    상기 채널 양면에 형성되어 있는 히터와 기판 상부에 형성되어 있는 히터전극,
    상기 히터 위에 형성되어 있는 절연층,
    상기 절연층 위에 형성되어 있는 탄소나노튜브전극과 촉매금속,
    상기 채널 양쪽의 탄소나노튜브전극 사이에 형성되어 있는 탄소나노튜브,
    홀이 가공되어 있는 캡으로 이루어진 탄소나노튜브 가스센서.
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