KR100780076B1 - 반도체형 가스센서용 감지막 형성방법 및 반도체형가스센서 어레이 - Google Patents

반도체형 가스센서용 감지막 형성방법 및 반도체형가스센서 어레이 Download PDF

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Abstract

본 발명은 센서 기술에 관한 것으로, 특히 반도체형 가스센서 기술에 관한 것이다. 본 발명은 촉매제가 균일하게 첨가된 SnO2계 감지막을 얻을 수 있는 반도체형 가스센서용 감지막 형성방법을 제공하고, 반도체형 가스센서의 사이즈를 줄이고 제조 공정을 간소화할 수 있는 반도체형 가스센서 어레이를 제공하는데 그 목적이 있다. 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 반도체형 가스센서용 감지막 형성방법에 있어서, 기판 상에 주석 박막을 형성하는 단계; 상기 주석 박막 상에 촉매제 박막을 형성하는 단계; 및 상기 주석 박막 및 상기 촉매체 박막을 열산화하여 촉매제가 첨가된 산화주석 박막을 형성하는 단계를 포함하는 반도체형 가스센서용 감지막 형성방법이 제공된다.
가스센서, 감지막, 산화주석, 센서 어레이, 촉매제, 열산화

Description

반도체형 가스센서용 감지막 형성방법 및 반도체형 가스센서 어레이{Method for forming sensitizer for semiconductor type gas sensor and semiconductor type gas sensor array}
도 1은 종래기술에 따른 가스센서 어레이의 평면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SnO2 감지막 형성 공정 순서도.
도 3은 본 발명에 따른 반도체형 가스센서 어레이의 예시도.
도 4는 상기 도 3의 가스센서 어레이의 전극 배치 상태를 나타낸 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
30 : 감지막(센서 어레이)
31a, 31b, 31c : 전극 패드
32 : 금속배선
본 발명은 센서 기술에 관한 것으로, 특히 반도체형 가스센서 기술에 관한 것이다.
산업 혁명 이후 산업계의 발전에 따라 그 부산물인 유독가스(CO, H2S, SO2, NOx)에 의한 대기오염이 부각되었고, 또한 가스폭발이나 가스중독의 위험성이 증대되었다. 이러한 상황에서 1923년에 Johnson에 의해 촉매 연소식 센서(catalytic combustion-type sensor)가 처음 보고 되었고, 이후 다양한 방식의 가스센서가 개발되었다. 이중 특히 반도체형 가스센서는 금속산화물 반도체인 SnO2, ZnO, In2O3 등의 소결체로서 공기 중 특정 가스의 유·무 및 농도를 저항변화로서 측정하는데 1962년에 Seiyama와 Taguch에 의해 처음 발표되었다. 이러한 반도체식 가스센서는 1968년 일본의 Figaro 사에 의해 상업화된 후 가스누출경보, 가스의 농도측정에 주로 사용되어 왔다. 이 과정 중에 센서는 그것의 재료 및 적용 감지기구의 개량을 통하여 각각의 검지가스 및 용도에 알맞게 진화하였고, 상용화되어 산업, 의료 및 실생활 분야 등에서 사용되어지고 있다.
반도체는 그 전기전도 메카니즘에 따라 n형 반도체와 p형 반도체로 구분된다. SnO2는 n형 반도체에 속하며, 양이온(Sn)의 수보다 음이온(O)의 수가 정량적으로 적어서 과잉의 전자가 생겨나게 되고, 이것이 전기전도도에 기여하게 된다. 이러한 SnO2는 부족한 산소종을 대기중에서 흡착하여 양/음이온 개수비의 불균형을 해 소하려고 하는 경향을 가지게 되는데 흡착된 산소종의 전기음성도에 기인하여 반도체 내의 전기전도 역할을 하는 전자가 흡착산소 표면에 국소화되어 있는 상태 (즉, 사로잡혀 있는 상태)가 된다. 따라서, 이때는 전기전도성을 잃게 된다. 만약 환원성가스(예컨대, CO, NH3) 등에 이러한 상태의 SnO2가 노출되면 표면의 흡착산소가 이러한 기체종들과 반응하여 하기의 반응식 1과 같은 반응을 일으켜 표면의 흡착산소를 다시 탈착시키게 된다. 이때 산소 주위에 포획된 전자가 다시 자유로워져서 전기전도도에 기여할 수 있게 된다. 따라서, 검지하고자 하는 목적가스에 따라 반도체 센서의 전기 전도도가 변화하게 되고 이를 통해 기체종의 존재 유무 및 농도를 알 수 있는 것이다.
2CO + O2 → 2CO2
한편, 감응제인 SnO2에 촉매제로서 Pt, Au, Ag 등의 물질을 첨가하여 감응도를 높이고 있다. 종래에는 SnO2에 이러한 촉매 물질을 도입하기 위하여 SnO2 박막을 증착한 후 SnO2 박막 상부에 백금 등의 촉매제를 입히는 공정을 실시하였다.
그러나, 이 방법은 촉매제인 백금을 고르게 첨가시킬 수 없는 문제점이 있었다.
한편, 기체의 종류와 농도에 따라 감응제 별로 다른 감지 결과가 나타나며, 또한 해당 기체에 대한 정확한 판단을 위해서는 다양한 종류의 감응제를 사용한 감지 결과를 종합해야할 필요가 있다. 따라서, 통상적으로 다양한 감응제를 하나의 기판에 센서 어레이로 제작하고 있다.
도 1은 종래기술에 따른 가스센서 어레이의 평면도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 가스센서 어레이는 기판 상에 배치된 각각 다른 종류의 4개의 감지막(센서)(10)과, 각 감지막(10)에 전원을 인가하기 위한 전극 패드(11a)와, 감지막(10) 가열용 히터를 위한 전극 패드(11b)와, 감지막(10)의 온도 감지용 온도 센서를 위한 전극 패드(11b)와, 감지막(10)과 전극 패드(11a, 11b, 11c)의 전기적 연결을 위한 금속배선(12)으로 구성된다. 즉, 가스센서 어레이의 각 사이드마다 전원 인가용 전극 패드(11a)가 한 쌍씩 배치되며, 히터용 전극 패드(11b) 한 쌍과 온도 센서용 전극 패드 한 쌍이 구비된다. 한편, 도면에서는 히터 및 온도 센서를 표시하지 않았다.
상기와 같이 구성된 종래의 가스센서 어레이는 다양한 종류의 감지막(10)을 기판 상에 집적하기 위한 공정이 복잡한 단점이 있으며, 가스센서의 사이즈가 큰 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 촉매제가 균일하게 첨가된 SnO2계 감지막을 얻을 수 있는 반도체형 가스센서용 감지막 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 반도체형 가스센서의 사이즈를 줄이고 제조 공정을 간소화할 수 있는 반도체형 가스센서 어레이를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 반도체형 가스센서용 감지막 형성방법에 있어서, 기판 상에 주석 박막을 형성하는 단계; 상기 주석 박막 상에 촉매제 박막을 형성하는 단계; 및 상기 주석 박막 및 상기 촉매체 박막을 열산화하여 촉매제가 첨가된 산화주석 박막을 형성하는 단계를 포함하는 반도체형 가스센서용 감지막 형성방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극이 형성된 상기 기판 상에 제1 주석 박막을 형성하는 단계; 상기 제1 주석 박막 상에 제1 촉매제 박막을 형성하는 단계; 상기 제1 촉매제 박막 상에 제2 전극을 형성하는 단계; 상기 제2 전극이 형성된 상기 제1 촉매제 박막 상에 제2 주석 박막을 형성하는 단계; 상기 제2 주석 박막 상에 제2 촉매제 박막을 형성하는 단계; 및 열산화 공정을 실시하여 촉매제가 첨가된 산화주석 박막을 형성하는 단계를 포함하는 반도체형 가스센서용 감지막 형성방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 다수의 전극 패드를 구비한 기판 상에 제공되는 산화주석계 감지막; 상기 산화주석계 감지막의 제1 높이에 삽입되어 제1 센서를 디파인하는 제1 전극; 및 상기 산화주석계 감지막의 제2 높이에 삽입되 어 제2 센서를 디파인하는 제2 전극을 구비하는 반도체형 가스센서 어레이가 제공된다.
이하, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SnO2 감지막 형성 공정 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 SnO2 감지막 형성 공정은 우선, 기판을 준비한다(20).
이어서, 준비된 기판 상에 고진공(5 ~ 10-5 Torr 이하) 상태에서 주석(Sn) 박막을 100~1500Å 두께로 증착한다(21).
다음으로, 주석(Sn) 박막 상에 백금(Pt) 박막을 10∼50Å 두께로 증착한다(22).
계속하여, 주석 박막 및 백금 박막을 교번하여 적층되도록 증착한다(23). 주석 박막 및 백금 박막의 적층 회수는 예정된 두께(0.05∼2㎛)에 의해 정해지며, 적어도 3층 이상 적층되도록 한다.
이어서, 주석 박막 및 백금 박막의 적층 구조를 열산화하여 백금이 첨가된 SnO2 감지막을 수득한다.
상기와 같은 공정을 통해 수득한 SnO2 감지막은 감지막 내에 백금이 균일하게 첨가되므로 감응도가 우수한 가스센서를 얻을 수 있게 된다.
한편, 전술한 실시예에서는 촉매제로서 백금을 사용하는 경우를 일례로 들어 설명하였으나, 본 발명은 금(Au), 은(Ag) 등의 다른 촉매제를 사용하는 경우에도 적용된다.
도 3은 본 발명에 따른 반도체형 가스센서 어레이의 예시도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 반도체형 가스센서 어레이(30)는 기존의 가스센서 어레이(도 1 참조)와 달리 평면적으로는 하나의 센서만으로 구성된 것처럼 보인다. 그러나, 실제로는 도 4에 도시된 바와 같이 수직 방향으로 다수의 센서가 집적되어 있다.
전극 패드(31a, 31b, 31c)의 구성은 상기 도 1에 도시된 종래의 가스센서 어레이의 구성과 동일하다. 즉, 가스센서 어레이(30)의 각 사이드마다 전원 인가용 전극 패드(31a)가 한 쌍씩 배치되며, 감지막(센서 어레이)(30) 가열용 히터를 위한 한 쌍의 전극 패드(31b)와, 감지막(10)의 온도 감지용 온도 센서를 위한 한 쌍의 전극 패드(31c)가 구비된다.
그러나, 센서 어레이를 이루는 감지막(30)이 하나이므로 감지막(30)에 대한 금속배선(32)의 배치는 기존과 크게 달라진다. 즉, 전원 인가용 전극 패드(31a)를 위한 금속배선(32)의 경우 도 4에 도시된 바와 같이 각 센서별로 감지막(30)의 각각 다른 높이에 삽입된다. 본 실시예에서 전원 인가용 전극 패드(31a)에 연결된 금 속배선(32)은 네 쌍이며, 각각 쌍을 이루어 감지막(30)의 다른 높이에 삽입되며, 쌍을 이룬 금속배선(32)은 감지막(30)에 대해 같은 높이로 삽입된다.
도시되지는 않았으나, 히터 및 온도 센서는 감지막(30)과 전기적으로 절연되어 감지막(30)의 주변에 배치되며, 히터는 감지막(30)의 온도를 300∼400℃로 가열하여 감지막(30)을 활성화시키고, 온도 센서는 감지막(30)의 온도를 체크한다.
상기와 같은 구조의 가스센서 어레이를 형성하기 위해서 상기의 일 실시예에 따른 감지막 형성 공정을 적용할 수 있다.
즉, 리프트-오프(lift-off) 공정이나 쉐도우 마스크를 사용하여 준비된 기판 상에 전극과 감지막의 패턴을 형성한다. 그 세부 과정은 다음과 같다. 제1 전극을 형성하고, 이어서 주석(Sn) 박막 및 백금(Pt) 박막을 차례로 증착한 후, 그 위에 제2 전극을 형성하고, 다시 주석(Sn) 박막 및 백금(Pt) 박막을 차례로 증착한다. 상기와 같은 방식으로 높이에 따라 두 개 이상의 전극을 형성하고 나면 열산화 공정을 실시하여 백금이 균일하게 첨가된 감지막을 수득할 수 있다. 한편, 전극 패드는 상기의 전극 형성 과정에서 동시에 형성하거나 별도의 공정을 통해 형성할 수 있다.
상기와 같이 구성된 가스센서 어레이는 어레이가 차지하는 면적을 기존의 1/4로 줄일 수 있어 가스센서 모듈의 크기를 줄일 수 있게 된다. 감지막의 크기는 100㎛×200㎛의 레이아웃 면적에 구현할 수 있으며, 전극 패드를 포함한 센서 어레이를 2㎜×2㎜의 레이아웃 면적에 집적시킬 수 있다. 한편, 종래에는 각기 다른 감지막에 대한 반응을 종합하여 가스의 종류 및 농도를 판단하였으나, 본 발명에서는 SnO2만을 사용하되 SnO2의 표면으로부터 내부로의 반응 가스의 확산 정도에 따라 수직 방향으로 분포된 각 전극(금속배선)으로부터의 응답 신호를 종합하여 가스의 종류 및 농도를 판단하는 방식을 사용하는 것이다. 따라서, 한 종류의 감지막만을 사용하기 때문에 종래에 비해 공정이 단순하고 감지막의 열화에 따른 불안정성의 가능성을 줄일 수 있다.
인간의 오감을 대체 하는 센서 시스템 중 가장 뒤쳐진 부분이 인각의 후각을 모방하는 시스템이다. 전술한 본 발명에 따르면 가스센서의 감응도를 높이고, 센서 시스템의 크기를 축소하고, 제조 공정을 단순화할 수 있어 고기능 저가의 전자후각 모듈의 양산을 가능하게 하는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 반도체형 가스센서용 감지막 형성방법에 있어서,
    기판 상에 주석 박막을 형성하는 단계;
    상기 주석 박막 상에 촉매제 박막을 형성하는 단계; 및
    상기 주석 박막 및 상기 촉매체 박막을 열산화하여 촉매제가 첨가된 산화주석 박막을 형성하는 단계
    를 포함하는 반도체형 가스센서용 감지막 형성방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 촉매제 박막을 형성하는 단계 수행 후,
    상기 주석 박막 및 상기 촉매체 박막을 교번하여 다수 번 적층하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체형 가스센서용 감지막 형성방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 촉매제 박막은 백금, 금, 은 중 어느 하나로 이루어진 박막인 것을 특징으로 하는 반도체형 가스센서용 감지막 형성방법.
  4. 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계;
    상기 제1 전극이 형성된 상기 기판 상에 제1 주석 박막을 형성하는 단계;
    상기 제1 주석 박막 상에 제1 촉매제 박막을 형성하는 단계;
    상기 제1 촉매제 박막 상에 제2 전극을 형성하는 단계;
    상기 제2 전극이 형성된 상기 제1 촉매제 박막 상에 제2 주석 박막을 형성하는 단계;
    상기 제2 주석 박막 상에 제2 촉매제 박막을 형성하는 단계; 및
    열산화 공정을 실시하여 촉매제가 첨가된 산화주석 박막을 형성하는 단계
    를 포함하는 반도체형 가스센서용 감지막 형성방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 촉매제 박막은 각각 백금, 금, 은 중 어느 하나로 이루어진 박막인 것을 특징으로 하는 반도체형 가스센서용 감지막 형성방법.
  6. 다수의 전극 패드를 구비한 기판 상에 제공되는 산화주석계 감지막;
    상기 산화주석계 감지막의 제1 높이에 삽입되어 제1 센서를 디파인하는 제1 전극; 및
    상기 산화주석계 감지막의 제2 높이에 삽입되어 제2 센서를 디파인하는 제2 전극
    을 구비하는 반도체형 가스센서 어레이.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 산화주석계 감지막은 백금, 금, 은 중 어느 하나의 촉매제가 첨가된 것을 특징으로 하는 반도체형 가스센서 어레이.
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