KR100540972B1 - 미세기둥 구조를 갖는 마이크로 가스센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 미세기둥위에 형성한 미세히터판과 미세전극판위에 감지막을 형성하여 가스센서 감지부의 열적 차단 상태를 유지하여 센서의 소비전력을 극소화할 수 있는 미세기둥 구조를 갖는 마이크로 가스센서 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의한 마이크로 가스센서는 실리콘 기판 위에 미세히터판과 미세전극판을 형성한 후에 실리콘 기판을 식각하여 여러 개의 미세기둥을 형성하여 제작한다. 미세 기둥사이의 공중에 떠 있는 브릿지 형태로 미세히터판과 미세전극판이 존재하게 되어서 가스센서 감지부의 열적 격리 상태를 유지하여서 센서의 소비전력이 극소화하게 된다. 센서가 가스 감지를 위해 필요한 200℃이상의 고온을 얻기 위해 미세전극판 주변을 미세히터판이 감싸는 구조를 이용하였다. 전극패드는 실리콘 기판과의 절연 및 누설전류 차단등의 전기적 오동작을 막기 위해 실리콘 위에 형성한 실리콘절연층을 형성하여 실리콘절연층 위에 금속을 증착하여 형성하였고, 미세히터판과 미세전극판 위에 진공증착법이나 스크린프린트법으로 감지막을 형성하여 센서 제조 공정을 단순화하였다.
가스센서, 산화물반도체, 실리콘, 미세기둥, 미세히터판, 미세전극판, 절연층
Description
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라서 기둥구조의 미세히터판을 가지는 마이크로 가스센서의 감지막이 형성되기 전의 구조를 나타내는 사시도.
도 2는 동 사시도
도 3은 도 1에 도시된 마이크로 가스센서에 감지막이 형성된 구조를 나타내는 사시도.
도 4는 도 1에 도시된 마이크로 가스센서를 A-A'선으로 자른 단면을 통하여 본 발명의 일실시예에 의한 마이크로 가스센서의 제조공정을 설명한 설명도.
도 5와 도 6은 본 발명에 의한 마이크로 가스센서의 변형된 실시예를 나타내는 평면도.
본 발명은 유독성, 폭발성 가스를 포함하여 직·간접적으로 피해를 줄 수 있는 가스들을 조기에 감지하여 신속히 대처할 수 있게 하고, 산업, 환경, 방재, 의료 분야에서 적용할 수 있는 기술로서 반도체 미세가공기술을 이용한 고효율의 미 세기둥 구조를 이용한 반도체식 마이크로 가스센서에 관한 것이다.
산업사회가 고도화됨에 따라 생산 현장에서부터 일반 가정에 이르기까지 각종 가스의 사용이 증가하고 그 종류도 날로 다양해지고 있다. 또한, 산업 현장에서 여러 종류의 가스가 발생되고 있어 보다 효율적인 가스 활용문제와 이에 따른 안전 관리가 심각한 문제로 대두되고 있다. 따라서 수 십년 동안 가스센서의 구조는 지속적으로 발전되어 왔는데 이는 주로 생산 공정과 밀접한 관계가 있는 센서 업체 중심으로 개발되어 왔다. 가스센서는 전위, 전류, 공진주파수, 전기전도도, 열량, 온도, 굴절률, 광파장등의 물리량 변화를 매개로 가스를 감지하는 물리적 소자와 화학반응, 화학적 흡착 등에 의해 가스를 검지하는 화학적 소자로 대별된다.
화학적 소자의 대표적인 구조는 가스의 산화반응에 의해 발생하는 반응열에 의해 백금선 코일의 전기적인 저항변화를 측정하는 접촉연소식과 가스의 화학적 흡·탈착으로 전기적인 저항변화를 측정하는 반도체식이 있다.
이는 감지막의 형태에 따라 벌크형, 튜브형, 후막형 등으로 나누어지는데 벌크형 구조는 코일 형태의 귀금속을 이용하여 히터와 전극을 감지물질 사이에 형성한 것으로써 제조 공정상 양산성이 떨어지며, 가스를 감지하게 되면 센서 저항값이 감소하여 자기 발열 문제가 발생하는 환원성 가스에는 부적합하다. 또한, 히터가 튜브 내에 코일 형태로 장착되고 튜브 외면에 전극과 감지막이 형성되는 튜브형 구조 또한 벌크형과 같은 문제점을 지니고 있다. 그리고 스크린 프린트법을 이용한 평면 후막형 가스센서는 대량생산이 가능하나 센서 동작을 위한 소비 전력이 크고 센서의 장기 안정성에 문제가 발생되고 있다. 따라서 현재 사용되고 있는 가스센서 의 문제점을 보완하고자 하는 노력과 관심이 높아지고 있다.
이에 반해, 실리콘 기판위에 가스센서를 구현하는 마이크로 가스센서는 대량생산이 가능하고, 센서 동작을 위한 소비전력이 적고, 낮은 가격으로 제조가 가능하기 때문에 많은 관심이 집중되고 있다. 특히 산화물 반도체를 이용하는 가스센서는 충분한 감도와 빠른 반응속도를 얻기 위해 100∼500℃의 고온에서 동작되고 있다. 그러므로 가스센서는 내장히터를 필요로 하게 된다. 실리콘 기판을 이용하여 제작되는 마이크로 가스센서는 가스 감지막인 산화물 반도체를 가열하기 위해 미세히터판을 포함하고 있다. 미세히터판은 일반적으로 백금이나 니켈을 진공증착하여 형성한다. 미세히터판에서 소비되는 전력을 감소시키기 위해 실리콘 기판위의 미세히터판을 반도체 미세가공기술을 이용하여 주변부보다 얇게 하여 이 부분의 열용량을 적게하여 미세히터판을 동작시키는데 필요한 전력을 감소시키고, 주변부와의 열적 차단을 위해 열적 격리가 되도록 설계·제작하여 외부로 열이 이동하는 것을 감소시키게 된다.
그러나, 종래의 마이크로 가스센서의 경우 미세히터판을 SiO2, Si3N4, SiO
2-Si3N4-SiO2와 같은 절연층위에 형성하기때문에 이로써 발생하는 절연층과 히터재료와의 열팽창율 차이와 자체 열적 스트레스로 인하여 미세히터판이 쉽게 파손되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 서, 실리콘 기판을 부분적으로 식각하여 미세기둥을 형성하고 미세기둥 위에 미세히터판과 미세전극판을 브릿지 형태로 형성한 후에 가스감지막을 미세전극판과 미세히터판위에 형성함으로써 센서 소비전력을 극소화하고 공정을 단순화하여 향상된 양산성 및 경제성을 구현한 마이크로 가스센서 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
상기한 바와 같은 목적은, 실리콘 기판을 부분적으로 식각하여 미세히터판, 미세전극판 및 전극패드를 지지하는 미세기둥과;
상기 미세기둥 표면에 형성되어 센서의 오 동작을 막기 위한 절연층과;
상기 미세기둥 상에 형성되어 가스 감지시 감지막에서의 화학적 반응에 의한 감지막의 저항변화 신호를 얻을 수 있는 미세전극판과;
상기 미세기둥 상에 형성되어 특정 온도를 얻을 수 있는 미세히터판과;
상기 미세히터판 상에 형성되어 가스와 화학적으로 반응하여 전기적 저항이 변화하는 감지막을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세기둥 구조를 갖는 마이크로 가스센서에 의하여 달성될 수 있다.
상기한 바와 같은 목적은, <100> 방향성을 가진 N형 실리콘 기판에 절연층을 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition) 또는 전기로(Electric Furnace)를 이용하여 일정두께로 성장시키고 이를 패터닝하는 단계와;
상기 N형 실리콘 기판 표면에 포토레지스트를 스핀코팅한 후 전극 패드, 미세히터판, 미세전극판의 패턴 부분만 노광하여 패터닝하는 단계와;
상기 패터닝된 표면에 타이타늄(Ti)과 금(Au)을 증착한 후 리프트 오프하고 니켈(Ni)을 전해 도금법으로 도금하여 전극패드, 미세히터판, 미세전극판을 형성하는 단계와;
상기 N형 실리콘 기판의 상부면 및 하부면을 습식식각하여 미세기둥을 형성하는 단계와;
상기 미세히터판과 미세전극판 상부에 스크린 프린트 기법으로 감지막을 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세기둥 구조를 갖는 마이크로 가스센서의 제조방법에 의하여 달성될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 의한 미세기둥 구조를 갖는 마이크로 가스센서의 구조를 보이고 있다. 본 발명에 따른 미세기둥 구조를 갖는 마이크로 가스센서는 실리콘 기판(101)을 부분적으로 식각하여 6개의 실리콘 미세기둥(102a, 102b, 102c, 102d, 102e, 102f)을 형성하고 상기 실리콘 미세기둥(102) 위에 굴절패턴의 미세히터판(105)과 II자형 패턴의 미세전극판(106)을 브릿지 형태로 형성한 후 상기 미세전극판(106)과 미세히터판(105)위에 감지막(201)이 형성된다.
상기 실리콘 미세기둥(102a, 102b, 102c, 102d, 102e, 102f)은 소비 전력을 최소화하기 위하여 상기 미세히터판(105), 상기 미세전극판(106) 및 전극패드(104a, 104b, 104c)를 지지하는 구조로 된다. 이외에도, 상기 기판(101) 및 상기 미세기둥(102a, 102b, 102c, 102d, 102e, 102f)의 재료로서 앞서와 같은 실리콘 재질 외에도 갈륨아세나이드(GaAs), 실리콘카바이드(SiC), 실리콘(Si), 글라스(glass) 등이 사용될 수 있다. 실리콘 미세기둥(102a, 102b, 102c, 102d, 102e, 102f)의 형태는 원형, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형, 팔각형 등의 다양한 모양으로 제작될 수 있으며, 높이와 넓이에도 변화를 줄 수 있다. 또한, 전극패드(104a, 104c)는 미세히터판(105)의 말단과, 전극패드(104b)는 미세전극판(106)의 말달에 각각 연결되어 연장된다.
상기 미세히터판(105)과 상기 미세전극판(106) 및 상기 전극 패드(104a, 104b, 104c)의 하부면은 실리콘 기판(101)을 통해서 누설되는 전류와 각각의 상기 전극패드(104a, 104b, 104c) 간에 절연을 위해서 실리콘 산화막(SiO2), 실리콘 질화막(Si3N4)과 같은 절연층(103)이 위치된다.
도 3은 도 1 및 도 2의 구조에 감지막(201)을 스크린프린트하여 벌크화된 구조를 도시한다. 특정 가스와 감지막(201)의 반응을 설명하면 다음과 같다. 전원을 미세히터판(105)에 인가하면 미세히터판(105)을 형성하는 금속층의 두께와 길이에 따른 저항에 의해서 발열하게 되는데 이러한 열의 발생은 미세히터판(105)의 온도를 특정 온도까지 상승을 유도한다. 그러면 미세히터판(105) 위에 형성된 감지막(201)의 온도 또한 동반 상승하여 유입되는 가스에 대해서 화학적 흡·탈착 반응을 원활하게 이루어지게끔 하며, 그로 인해 감지막(201)의 저항 변화가 발생하게 되는데, 이 저항 변화를 미세전극판(106)에서 측정하게 된다.
도 4의 (a) 내지 (f)는 도 1을 A-A' 선으로 자른 단면을 통하여 본 발명 실시예의 제조공정을 순차적으로 도시한 것이다. 실리콘 기판(101)은 소자 제작 후 최종 전극부분에 와이어 본딩 또는 리드 접합에 있어서 전도성 은(Ag) 에폭시를 사용한다. 그때 오옴성 접합(Ohmic Junction)을 얻기 위해서 <100> 방향성을 가진 N 형을 사용한다. 140∼145㎛ 높이의 실리콘 미세기둥(102) 위에 실리콘 기판과의 절연 및 누설 전류 차단을 위해서 절연층(103)을 성장시켰고, 산화반응이 적고 전기전도도가 높은 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 금(Au)과 같은 귀금속 재료로 되는 전극패드(104)가 형성된다. 그리고, 미세히터판(105)과 미세전극판(106)은 전극 패드(104a, 104b, 104c)와 동일한 귀금속으로 증착 후 중금속 니켈 또는 귀금속 백금으로 도금된다.
먼저 도 4(a)에 도시된 바와 같이, <100> 방향성을 가진 N형 실리콘 기판(101)에 절연층(103)을 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition) 또는 전기로(Electric Furnace)를 이용하여 1㎛ 두께로 성장시킨다.
도 4(b)에 도시된 바와 같이, 실리콘 기둥(102)의 형성을 위해 절연층 식각 용액인 BOE(Bufferd Oxide Etching)를 이용하여 절연층(103)을 패터닝한다.
도 4(c)에 도시된 바와 같이, 전극 패드(104), 미세히터판(105), 미세전극판(106)의 금속 증착을 위해서 스핀 코터(Spin Coater)를 이용하여 포토레지스트 AZ 1512를 코팅한다. 그리고 전극 패드(104), 미세히터판(105), 미세전극판(106)의 패턴 부분만 노광하여 AZ 300 용액을 사용하여 포토레지스트를 제거하면 미세히터판 및 미세전극판 부분 외의 포토레지스트(401)만 실리콘 기판(101)상에 존재하게 된다.
도 4(d)에 도시된 바와 같이, E빔 또는 스퍼터 장비를 이용하여 전극 패드(104), 미세히터판(105), 미세전극판(106)의 패턴 부분에 타이타늄(Ti)과 금(Au)을 증착하고 리프트 오프(lift off) 방식으로 패턴 이외의 증착된 금속을 제 거한다. 타이타늄(Ti)은 금(Au)의 증착을 위해 시드(seed)층으로 사용되며, 타이타늄(Ti)의 증착 두께는 200Å이고 금(Au)은 500Å의 두께로 증착한다. 그리고, 전극 패드(104)를 제외한 미세히터판(105) 및 미세전극판(106)의 패턴 부분에 열적 스트레스와 감도를 보강하기 위해서 니켈(Ni)을 3∼4㎛ 두께로 도금한다. 이때, 전극 패드(104)의 두께는 700Å이며, 미세히터판(105)의 전극패드(104a, 104c)의 넓이는 60×80㎛2, 미세전극판(106)의 전극패드(104b)의 넓이는 130×20㎛2이다. 그리고, 미세히터판(105), 미세전극판(106)의 패턴의 폭은 20㎛이고, 미세히터판(105), 미세전극판(106) 간의 거리는 10㎛로 설계된다.
도 4(e)에 도시된 바와 같이, 실리콘 미세기둥(102)의 형성을 위해 KOH를 사용하여 습식식각하면, 실리콘 기판(101) 상부면과 하부면이 140∼145㎛ 식각되어진다. 따라서 초기 500㎛의 실리콘 기판의 두께는 210∼220㎛의 두께를 가지게 된다.
마지막으로, 도 4(f)에 도시된 바와 같이, 도 4(a) 내지 4(e)까지의 공정으로 제작된 소자에 스크린 프린트 기법으로 감지막(201)을 최종 도포한다. 이때 상기 감지막(201)의 물질은 H2나 CH4와 같은 폭발성 가스, 또는 CO, NOx, NH3, SO2 등 유독성 가스에 민감하게 반응하는 물질로서 SnO2, In2O3, ZnO를 사용한다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 마이크로 가스센서에 있어서 주요 부분인 미세히터판과 미세전극판 및 실리콘 미세기둥을 변형한 다른 실시예를 도시한다.
도 5에 도시된 실시예에 있어서는, 4 개의 실리콘 미세기둥(202a, 202b, 202c, 202d) 위에 브릿지 형태로 굴절 패턴의 미세히터판(205)과 II자형 패턴의 미 세전극판(206)이 위치하며, 이 실시예에 있어서는 미세히터판(205)의 상측부를 지지하는 실리콘 미세기둥(202a)이 하나로 구성되는 것이 특징이다. 감지막(201)은 미세히터판(205)과 미세전극판(206)의 상부에 형성되어진다.
도 6에 도시된 실시예에 있어서는, 미세히터판(305)이 U자형 패턴인 것을 제외하고는 도 5의 실시예와 동일하다. 미세히터판(305)이 실리콘 미세기둥(302a, 302b, 302d)에 의해 지지되고 미세전극판(306)은 그 전극패드가 실리콘 미세기둥(302c)에 의해 지지된다. 이 실시예에서는 미세히터판(305)과 II자형 패턴의 미세전극판(306)의 상부에 감지막(201)이 형성되어진다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 미세기둥 구조를 갖는 마이크로 가스센서의 구조 및 제조방법에 의하면, 최적의 구동으로 빠른 응답속도와 저 소비 전력 및 특정 온도에서 가스를 선택하여 감지할 수 있는 선택성에 관한 성능을 향상시키고, 센서의 수명 연장과 신뢰성 및 양산성을 확보할 수 있다.
이러한 본 발명의 미세기둥 구조를 갖는 마이크로 가스센서는 H2나 CH4와 같은 폭발성 가스, CO, NOx, NH3, SO2등 유독성 가스를 조기에 감지하여 신속히 사고에 대응하고, 습도, 연기, 알코올 및 악취성 가스를 환경적 제어를 통해서 생활의 불편 요소를 사전에 제거하며, 산업, 민생, 환경, 방재, 의료 분야에서 쉽게 적용할 수 있다.
아울러 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 당 업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 등은 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.
Claims (13)
- 하나의 기판과;상기 기판의 상부양단을 제외한 나머지 부분이 식각되어 형성된 적어도 하나 이상의 미세기둥과;상기 미세기둥 상에 형성된 절연층 및 상기 절연층의 상부에 형성된 두 쌍의 전극패드와;상기 일측 쌍의 전극패드로부터 연장되고 상기 미세기둥 상에 그 일부가 지지되는 미세히터판과;상기 타측 쌍의 전극패드로부터 연장되고 상기 미세기둥 상에 그 일부가 지지되며, 상기 미세히터판 사이에 배치되는 미세전극판과;상기 미세히터판 및 미세전극판의 상부면에 형성되는 감지막을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세기둥 구조를 갖는 마이크로 가스센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 미세기둥이 상기 기판의 상부 양단에 각각 3개씩 형성되어 모두 6개로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세기둥 구조를 갖는 마이크로 가스센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 미세기둥이 상기 기판의 상부 일단에는 3개가 형성되고, 반대측 상부 일단에는 1개만이 형성되어 모두 4개로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세기둥 구조를 갖는 마이크로 가스센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 기판 및 상기 미세기둥은 갈륨아세나이드(GaAs), 실리콘카바이드(SiC), 실리콘(Si), 글라스(glass) 중의 어느 하나로 되는 것을 특징으로 하는 미세기둥 구조를 갖는 마이크로 가스센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 미세기둥은 원형의 형상으로 되는 것을 특징으로 하는 미세기둥 구조를 갖는 마이크로 가스센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 미세기둥은 다각형의 형상으로 되는 것을 특징으로 하는 미세기둥 구조를 갖는 마이크로 가스센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 미세전극판은 II자 형상으로 되는 것을 특징으로 하는 미세기둥 구조를 갖는 마이크로 가스센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 미세히터판의 패턴은 굴곡이 있는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 미세기둥 구조를 갖는 마이크로 가스센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 미세히터판의 패턴이 U자 형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 미세기둥 구조를 갖는 마이크로 가스센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 미세히터판 및 미세전극판과, 그 상부면에 형성되는 감지막은 하나의 벌크 형태로 되는 것임을 특징으로 하는 미세기둥 구조를 갖는 마이크로 가스센서.
- 실리콘 기판에 절연층을 화학기상증착법 또는 전기로를 이용하여 일정두께로 성장시키고 이를 패터닝하는 단계와;상기 실리콘 기판 표면에 타이타늄(Ti)과 금(Au)을 증착한 후 리프트 오프하고 니켈(Ni)을 도금하여 전극패드, 미세히터판, 미세전극판을 형성하는 단계와;상기 실리콘 기판의 상부 양단을 제외한 나머지 부분을 소정 깊이로 식각하여 상기 상부 양단에 미세기둥을 형성하는 단계와;상기 미세히터판과 미세전극판 상부에 감지막을 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세기둥 구조를 갖는 마이크로 가스센서의 제조방법.
- 제 11항에 있어서, 상기 감지막을 도포하는 단계는 스크린프린트법을 이용하는 것을 특징으로 하는 미세기둥 구조를 갖는 마이크로 가스센서의 제조방법.
- 제 11항에 있어서, 상기 감지막을 도포하는 단계는 진공증착법을 이용하는 것을 특징으로 하는 미세기둥 구조를 갖는 마이크로 가스센서의 제조방법.
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