KR101772575B1 - 저전력 구동을 위한 마이크로 반도체식 가스 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 저전력 구동을 위한 마이크로 반도체식 가스 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 에어 갭(air gap)을 갖는 기판, 상기 기판 상에 제공되고 전극패드들을 포함하는 주변부, 상기 에어 갭 상에 플로팅(floating) 되고 상기 전극패드들로부터 연결되는 감지 전극들과 상기 감지 전극들상의 감지막을 포함하는 센서부 및 상기 주변부와 상기 센서부를 연결하고 상기 전극패드들과 상기 감지 전극들을 전기적으로 연결하는 도전선들을 포함하는 연결부를 포함하고, 상기 에어 갭은 상기 기판을 관통하고, 상기 에어 갭으로부터 상기 주변부와 상기 센서부 사이로 연장되는 열 고립영역이 제공되는 마이크로 반도체식 가스 센서 및 그의 제조 방법이 제공된다.
Description
본 발명은 마이크로 반도체식 가스 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
가스 센서는 음주 측정기, 환경모니터링 및 유독성 가스 검출기 등에 적용되어 왔다. 다양한 방식으로 구동되는 가스 센서들 중에서, 반도체식 가스 센서는 가스 성분이 반도체 표면에 흡착하거나 또는 이미 흡착해 있던 다른 흡착가스와 반응할 때 전기 저항의 변화가 나타나는 원리를 이용하여 구동된다. 전기 저항의 변화는 반도체의 전기 전도도와 표면 전위의 변화로 발생된다. 그리고, 이러한 변화의 정도는 감지하려고 하는 가스의 농도, 측정 온도 및 습도에 따라 달라지게 된다.
반도체식 가스 센서는 기존의 광학식 가스 센서나 전기화학식 가스 센서에 비하여 그 구조가 간단하고 제조 공정이 용이하여 대량 생산이 가능하다. 또한 반도체식 가스 센서는 크기가 작고, 소비 전력이 작아 휴대 가능한 초소형의 장치로 구현이 가능하다. 따라서, 반도체식 가스 센서는 유비쿼터스 건강 모니터링 등과 같은 다양한 서비스에 적용될 수 있는 장점이 있다. 다만, 소형의 반도체식 가스 센서를 제조하기 위해 사용되는 멤브레인 박막이 가스 센서의 동작 과정 중에 많은 열적 스트레스를 받게 되어, 멤브레인의 기계적 안정성을 유지하는 것이 문제가 된다. 또한, 반도체식 가스 센서의 신뢰성 있는 감도 획득을 위해서는 멤브레인 상의 열적 구배를 최소화하는 것이 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 멤브레인의 열적 내구성이 향상된 마이크로 반도체식 가스 센서 및 그의 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 유비쿼터스 환경에서 사용될 수 있도록 저전력의 소모로 구동이 가능한 마이크로 반도체식 가스 센서 및 그의 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 반도체식 가스 센서는 에어 갭(air gap)을 갖는 기판; 상기 기판 상에 제공되고, 전극패드들을 포함하는 주변부; 상기 에어 갭 상에 플로팅(floating) 되고, 상기 전극패드들로부터 연결되는 감지 전극들 및 상기 감지 전극들 상의 감지막을 포함하고, 상기 에어 갭 상에 플로팅(floating) 되는 센서부; 및 상기 주변부와 상기 센서부를 연결하고, 상기 전극패드들과 상기 감지 전극들을 전기적으로 연결하는 도전선들을 포함하는 연결부를 포함하고, 상기 에어 갭은 상기 기판을 관통하고, 상기 에어 갭으로부터 상기 주변부와 상기 센서부 사이로 연장되는 열 고립영역이 제공된다.
일 실시예에 따르면, 상기 연결부는 상기 열 고립영역에 의해 정의되는 측벽을 갖고 상기 주변부로부터 연장되는 하나 이상의 캔티레버(cantilever) 형상을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 주변부, 센서부 및 연결부는 차례로 적층된 제1 멤브레인, 제2 멤브레인 및 제3 멤브레인을 더 포함하고, 상기 제1, 제2 및 제3 멤브레인들은 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 센서부는 상기 제2 멤브레인 상의 히터 저항체를 더 포함하고, 상기 감지 전극들은 상기 제2 멤브레인 상에 제공되고, 상기 제3 멤브레인은 상기 감지 전극들을 노출하며 상기 히팅 저항체를 덮고, 상기 감지막은 상기 제3 멤브레인 상에 제공되고 상기 노출된 감지 전극들과 전기적으로 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 센서부는 상기 제1 멤브레인과 상기 제2 멤브레인 사이에 제공되는 열 분산막을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 멤브레인과 상기 제3 멤브레인 사이에 제공되는 온도 센서를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 히팅 저항체는 백금(Pt), 금(Au), 텅스텐(W), 팔라듐(Pd), 실리콘(Si), 실리콘 합금 또는 전도성 금속 산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 센서부는 상기 제1 멤브레인과 상기 제2 멤브레인 사이의 히터 저항체를 더 포함하고, 상기 감지 전극들은 상기 제2 멤브레인 상에 제공되고, 상기 제3 멤브레인은 상기 감지 전극들을 노출하고, 상기 감지막은 상기 제3 멤브레인 상에 제공되고 상기 노출된 감지 전극들과 전기적으로 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 멤브레인과 상기 제2 멤브레인 사이에 제공되는 온도 센서를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 기판은 실리콘, 산화 알루미늄(Al2O3), 유리, 석영(quartz), 갈륨 비소(GaAs) 및 갈륨 질소(GaN) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 감지 전극들은 백금(Pt), 금(Au), 텅스텐(W), 팔라듐(Pd), 실리콘(Si), 실리콘 합금 및 전도성 금속 산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 감지막은 금속 산화물, 금 나노입자, 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(Carbon nanoTube), 풀러렌(fullerene) 및 이황화 몰리브덴(MoS2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 반도체식 가스 센서의 제조 방법은 기판 상에 차례로 제1 예비 멤브레인 및 제2 예비 멤브레인을 형성하는 것; 상기 제2 예비 멤브레인 상에 감지 전극들을 형성하는 것; 상기 제2 예비 멤브레인 상에 상기 감지 전극들을 노출하는 오프닝들을 갖는 제3 예비 멤브레인을 형성하는 것; 상기 감지 전극들 아래의 상기 기판을 식각하여 상기 제1 예비 멤브레인의 하면을 노출시키는 에어 갭을 형성하는 것; 상기 에어 갭으로부터 연장되어 상기 제1, 제2 및 제3 예비 멤브레인들을 관통하는 열 고립영역을 포함하는 제1, 제2 및 제3 멤브레인들을 형성하는 것; 및 상기 제3 멤브레인 상에 상기 오픈닝들을 통하여 상기 감지 전극들과 전기적으로 연결되는 감지막을 형성하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 예비 멤브레인과 상기 제3 예비 멤브레인 사이에 히팅 저항체를 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 예비 멤브레인과 상기 제2 예비 멤브레인 사이에 열 분산막을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 예비 멤브레인과 상기 제3 예비 멤브레인 사이에 온도 센서를 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 예비 멤브레인과 상기 제2 예비 멤브레인 사이에 히팅 저항체를 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 예비 멤브레인과 상기 제2 예비 멤브레인 사이에 온도 센서를 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1, 제2 및 제3 예비 멤브레인들은 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 과제 해결 수단에 따르면, 히팅 저항체가 배치되는 센서부 주위에 열 고립영역을 형성함으로써, 상기 히팅 저항체에서 발생된 열의 손실을 줄일 수 있다. 또한 상기 센서부를 지탱하는 멤브레인들의 질량을 최소화함으로써, 저전력의 공급으로도 특정 온도까지의 승온이 가능할 수 있다. 또한 상기 히팅 저항체가 배치되는 제2 멤브레인의 하부에 열 전도도가 높은 열 분산막을 배치함으로써, 상기 히팅 저항체에서 발생되는 열이 상기 멤브레인들 상에 균일하게 분산될 수 있다. 나아가 상기 멤브레인들이 열적 스트레스를 최소화도록 단일 또는 다수의 실리콘 화합물로 형성됨으로써, 가열되는 상기 멤브레인들의 기계적 안정성이 향상된 마이크로 반도체식 가스 센서가 제공될 수 있다.
따라서, 유비쿼터스 환경에서 사용될 수 있도록 소형화되고, 전력 소모가 적고, 기계적 안정성이 향상된 마이크로 반도체식 가스 센서 및 이를 저비용으로 대량 생산할 수 있는 제조 방법이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 반도체식 가스 센서를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 도1의 평면도이다.
도 3은 도 2의 I-I'선에 따른 단면도이다.
도 4 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 반도체식 가스 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 반도체식 가스 센서를 설명하기 위한 사시도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 반도체식 가스 센서를 설명하기 위한 센서부의 확대 단면도이다.
도 2는 도1의 평면도이다.
도 3은 도 2의 I-I'선에 따른 단면도이다.
도 4 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 반도체식 가스 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 반도체식 가스 센서를 설명하기 위한 사시도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 반도체식 가스 센서를 설명하기 위한 센서부의 확대 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 바람직한 실시예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다. 이에 더하여, 본 명세서에서, 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 반도체식 가스 센서를 설명하기 위한 사시도이다. 도 2는 도1의 평면도이고, 도 3은 도 2의 I-I' 선에 따른 단면도이다. 도 1 및 도 2의 경우 설명의 간소화를 위해 일부 구성 요소, 예를 들면, 도 3의 열 분산막(104), 제3 멤브레인(110b 및 110c) 및 감지막(114) 등의 도시는 생략하였다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 반도체식 가스 센서는 에어 갭(air gap)(112)을 갖는 기판(101)을 포함할 수 있다. 상기 기판(101)은 일반적인 반도체 공정에서 사용되는 실리콘 기판이거나 산화 알루미늄(Al2O3), 유리, 석영(quartz), 갈륨 비소(GaAs) 또는 갈륨 질소(GaN) 중의 어느 하나를 포함하는 기판일 수 있다. 상기 에어 갭(air gap)(112)은 상기 기판(101)의 중앙 영역이 관통되도록 식각되어 형성될 수 있다. 상기 에어 갭(air gap)(112)은 공기에 의해서 채워지는 실질적인 빈 공간이다. 상기 에어 갭(air gap)(112)은 이 후 설명될 히터 저항체(107)에서 발생되는 열이 열전도율이 높은 기판(101)으로 전달되는 것을 방지하는 열적 격리 기능을 수행할 수 있다.
상기 기판(101) 상에 주변부(A)가 제공될 수 있다. 상기 주변부(A)는 상기 기판(101) 상에 차례로 적층된 제1 멤브레인(102b), 제2 멤브레인(103a) 및 제3 멤브레인(110b)을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 주변부(A)가 제공되는 기판(101)의 하면에 상기 제4 멤브레인(100a)이 형성될 수 있다. 상기 제2 멤브레인(103a) 상에 제1 전극패드들(109a), 제2 전극패드들(109b) 및 제3 전극패드들(109c)을 포함하는 복수의 전극패드들이 배치될 수 있다.
상기 에어 갭(air gap)(112) 상에 센서부(B)가 제공될 수 있다. 상기 센서부(B)는 공기로 채워지는 실질적인 빈 공간 상에 플로팅(floating) 될 수 있다. 상기 센서부(B)는 차례로 적층된 제1 멤브레인(102c) 및 제2 멤브레인(103b)을 포함할 수 있다. 상기 제2 멤브레인(103b) 상에 히팅 저항체(107)와 감지 전극들(108)이 배치될 수 있다. 또한 상기 제2 멤브레인(103b) 상에 상기 감지 전극들(108)을 노출하며 상기 히팅 저항체(107)를 덮는 제3 멤브레인(110c)이 배치될 수 있다. 상기 제3 멤브레인(110c)은 상기 히팅 저항체(107)와 상기 감지 전극들(108)과의 사이 및 상기 감지 전극들(108) 사이를 전기적으로 절연할 수 있다. 상기 제3 멤브레인(110c) 상에 상기 노출된 감지 전극들(108)과 전기적으로 연결되는 감지막(114)이 배치될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 멤브레인(102c)과 상기 제2 멤브레인(103b) 사이에 열 분산막(104)이 배치될 수 있다. 또한 다른 실시예에 있어서, 상기 히팅 저항체(107)의 일측에 온도 센서(106)가 배치될 수 있다. 상기 온도 센서(106)는 상기 제3 멤브레인(110c)의 의해 상기 히팅 저항체(107)와 전기적으로 절연될 수 있다.
상기 센서부(B)와 상기 주변부(A)를 연결하는 연결부(C1)가 제공될 수 있다. 상기 연결부(C1)는 차례로 적층된 제1 멤브레인, 제2 멤브레인 및 제3 멤브레인을 포함할 수 있다. 또한 상기 연결부(C1)는 제1 도전선들(115a), 제2 도전선들(115b) 및 제3 도전선들(115c)을 포함할 수 있다. 상기 제1, 제2 및 제3 도전선들은(115a, 115b 및 115c) 상기 제2 멤브레인과 상기 제3 멤브레인 사이에 배치될 수 있고, 상기 온도 센서(106), 상기 히팅 저항체(107), 상기 감지 전극들(108) 또는 상기 전극패드들(109a, 109b 및 109c)과 동시에 형성될 수 있다. 상기 제1 도전선들(115a)은 상기 제1 전극패드들(109a)과 상기 히팅 저항체(107)를 전기적으로 연결할 수 있다. 상기 제2 도전선들(115b)은 상기 제2 전극 패드들(109b)과 상기 감지 전극들(108)을 전기적으로 연결할 수 있다. 상기 제3 도전선들(115c)은 상기 제3 전극패드들(109c)과 상기 온도 센서(106)를 전기적으로 연결할 수 있다.
상기 에어 갭(air gap)(112)으로부터 상기 주변부(A)와 상기 센서부(B) 사이로 연장되는 열 고립영역(113)이 제공될 수 있다. 상기 열 고립영역(113)은 공기에 의해서 채워지는 실질적인 빈 공간이다. 상기 열 고립영역(113)은 유전율이 상기 제1, 제2 및 제3 멤브레인들(102b, 102c, 103a, 103b, 110c)보다 낮은 공기로 채워지기 때문에 열 전도율이 낮다. 따라서, 상기 열 고립영역(113)이 상기 센서부(B) 주위를 둘러싸도록 함으로써 상기 히터 저항체(107)에서 발생되는 열이 상기 주변부(A)로 손실되는 것을 줄일 수 있다. 또한, 상기 히터 저항체(107)를 기계적으로 지탱하는 상기 멤브레인들(102c, 103b 및 110c)의 질량을 최소화함으로써 히팅을 위한 전력 소모를 줄일 수 있다.
상기 연결부(C1)는 상기 열 고립영역(113)에 의해 정의되는 측벽을 갖고 상기 주변부(A)로부터 연장되는 캔티레버(cantilever) 형상일 수 있다.
상기 멤브레인들(100a, 102b, 102c, 103a, 103b, 110b 및 110c)은 열 전도율을 낮추고, 열적 스트레스들을 완화하기 위하여 실리콘 화합물 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 멤브레인들(100a, 102b, 102c, 103a, 103b, 110b 및 110c)은 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 멤브레인들(100a, 102b, 102c, 103a, 103b, 110b 및 110c)은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물의 단층 구조이거나 실리콘 질화물/실리콘 산화물/실리콘 질화물 또는 실리콘 산화물/실리콘 질화물/실리콘 산화물의 복층 구조일 수 있다. 이와 같은 단일 또는 다수의 실리콘 화합물의 두께의 구성 비율은 열적 스트레스로 인한 변형을 최소화하도록 설계될 수 있다.
상기 히팅 저항체(107)는 백금(Pt), 금(Au), 텅스텐(W), 팔라듐(Pd), 실리콘(Si), 실리콘 합금 또는 전도성 금속 산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일반적으로 반도체식 가스 센서는 300℃ 에서 작동하기 때문에 승온이 필요하다. 상기 히팅 저항체(107)는 외부에서 인가되는 전원에 의해 주울열(Joule heat)이 발생하게 됨으로써 히터(heater)로 작동하게 된다. 상기 히팅 저항체(107)는 외부로부터 인가된 파워에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 반도체식 가스 센서가 최적의 감도를 나타낼 수 있는 특정 온도까지 상승되도록 열을 발생시킨다.
상기 온도 센서(106)는 상기 히팅 저항체(107)와 동일한 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 즉, 상기 온도 센서(106)는 저항체는 백금(Pt), 금(Au), 텅스텐(W), 팔라듐(Pd), 실리콘(Si), 실리콘 합금 또는 전도성 금속 산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 온도 센서(106)는 상기 히팅 저항체(107)의 온도를 측정하여, 상기 히팅 저항체(107)의 온도를 조절할 수 있도록 도와줄 수 있다.
상기 열 분산막(104)은 열 전도도가 높은 금속 또는 도핑된 실리콘을 포함할 수 있다. 상기 열 분산막(104)은 히팅 저항체(107)에서 발생되는 열을 상기 센서부(B) 내에 균일하게 분포시킬 수 있다.
상기 감지 전극들(108)은 백금(Pt), 금(Au), 텅스텐(W), 팔라듐(Pd), 실리콘(Si), 실리콘 합금 또는 전도성 금속 산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 감지 전극들(108)은 상기 감지막(114)이 가스를 흡착함에 따라 발생하는 저항값의 변화를 외부 회로(미도시)로 전달할 수 있다.
상기 복수의 전극패드들(109a, 109b 및 109c) 및 상기 복수의 도전선들(115a, 115b 및 115c)은 상기 히팅 저항체(107) 및 상기 감지 전극들(108)과 동일 물질 및 동일 방법으로 형성될 수 있다.
상기 감지막(114)은 금속 산화물, 금 나노입자, 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(Carbon nanoTube), 풀러렌(fullerene) 및 이황화 몰리브덴(MoS2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 금속 산화물은 텅스텐 산화물(WOx), 주석 산화물(SnOx), 아연 산화물(ZnOx), 인듐 산화물(InOx), 티타늄 산화물(TiOx), 갈륨 산화물(GaOx) 및 코발트 산화물(CoOx) 중 둘 이상이 일정한 비율로 결합될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 다른 실시예에 있어서, 상기 금속 산화물은 백금(Pt), 금(Au), 텅스텐(W) 및 팔라듐(Pd) 중 적어도 하나의 금속 또는 산화 알루미늄(Al2O3)과 같은 금속 산화물을 보조 입자로 더 포함할 수 있다.
상기 금속 산화물은 평균 직경의 크기가 1nm 내지 500nm 수준의 나노 입자일 수 있다. 또한 상기 금속 산화물은 나노 기둥으로 형성된 주상 구조를 가지는 박막일 수 있다. 상기 나노 입자는 상기 감지 전극들(108)과의 접촉력이 크게 향상될 수 있어 상기 감지막(114)에 접촉된 가스에 의한 전기저항의 변화가 보다 민감하게 체크될 수 있다. 또한 상기 나노 입자는 표면적이 크고, 외부 영향에 의한 전기적인 변화가 크므로 가스 센서의 작동온도를 크게 낮출 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 반도체식 가스 센서는 다음과 같이 동작될 수 있다. 일 예로, COx또는 SOx(x는 상수) 등의 가스 성분이 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 센서에 접하게 되면, 상기 가스가 감지막(114)에 흡착되고 이에 따라 상기 감지막(114)에 흡착된 가스의 양에 비례하는 전자의 이동이 발생된다. 이 때 상기 감지막(114)의 입계(grain boundary)에서는 전자 전도에 대하여 포텐셜 배리어(potential barrier)가 형성되어 전자의 이동을 방해하기 때문에 상기 감지막(114)의 저항값은 변화하게 된다. 이에 따라, 상기 감지막(114)의 저항값을 측정하면 가스의 존재 유무와 농도 등을 검출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 반도체식 가스 센서는 히팅 저항체(107)가 배치되는 센서부(B) 주위에 열 고립영역(113)을 형성함으로써, 상기 히팅 저항체(107)에서 발생된 열의 손실을 줄일 수 있다. 또한 상기 센서부(B)를 지탱하는 멤브레인들(102c, 103b 및 110c)의 질량을 최소화함으로써, 저전력의 공급으로도 특정 온도까지 승온이 가능할 수 있다. 또한 상기 히팅 저항체(107)가 배치되는 제2 멤브레인(103b)의 하부에 열 전도도가 높은 열 분산막(104)을 배치함으로써, 상기 히팅 저항체(107)에서 발생되는 열이 상기 멤브레인들(102c, 103b 및 110c)에 균일하게 분산될 수 있다. 나아가 상기 멤브레인들(102c, 103b 및 110c)이 열적 스트레스를 최소화도록 단일 또는 다수의 실리콘 화합물로 형성됨으로써, 가열되는 상기 멤브레인들(102c, 103b 및 110c)의 기계적 안정성이 향상될 수 있다. 따라서, 유비쿼터스 환경에서 사용될 수 있도록 소형화되고, 전력 소모가 적고, 기계적 안정성이 향상된 마이크로 반도체식 가스 센서가 제공될 수 있다.
도 4 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 반도체식 가스 센서의 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.
도 4를 참조하면, 기판(101)의 상, 하면에 제1 예비 멤브레인(102) 및 제4 예비 멤브레인(100)이 형성될 수 있다. 상기 기판(101)은 일반적인 반도체 공정에서 사용되는 실리콘 기판)이거나 산화 알루미늄(Al2O3), 유리, 석영(quartz), 갈륨 비소(GaAs) 또는 갈륨 질소(GaN) 중의 어느 하나를 포함하는 기판일 수 있다.
상기 제1 및 제4 예비 멤브레인들(102 및 100)은 열 전도율을 낮추고, 열적 스트레스들을 완화하기 위하여 실리콘 화합물 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 제1 및 제4 예비 멤브레인들(102 및 100)은 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 제1 및 제4 예비 멤브레인들(102 및 100)은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물의 단층 구조이거나 실리콘 질화물/실리콘 산화물/실리콘 질화물 또는 실리콘 산화물/실리콘 질화물/실리콘 산화물의 복층 구조일 수 있다. 이와 같은 단일 또는 다수의 실리콘 화합물의 두께의 구성 비율은 열적 스트레스로 인한 변형을 최소화하도록 설계될 수 있다. 상기 제1 및 제4 예비 멤브레인들(102 및 100)은 열산화 증착법, 스퍼터링 증착법 또는 화학 기상 증착법에 의해 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제4 예비 멤브레인들(102 및 100)은 동시에 형성될 수 있다.
도 5을 참조하면, 상기 제4 예비 멤브레인(100)을 식각하여 상기 기판(101)의 하면을 노출시키는 개구부(105)가 형성될 수 있다. 이와 동시에 제4 멤브레인(100a)이 형성될 수 있다. 상기 식각 공정은 BOE(buffered oxide etchant) 또는 증기 HF를 이용할 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 제1 예비 멤브레인(102) 상에 열 전도도가 높은 금속 또는 도핑된 실리콘이 증착되고, 포토리소그래피 공정을 통한 패터닝 및 식각 공정이 수행되어 열 분산막(104)이 형성될 수 있다. 이 후 상기 제1 예비 멤브레인(102) 상에 상기 열 분산막(104)을 덮는 제2 예비 멤브레인(103)이 형성될 수 있다. 상기 열 분산막(104)은 스퍼터링 증착법(sputtering), 전자빔(E-beam) 또는 기화 증착법(Evaporation) 등에 의해 형성될 수 있다. 상기 제2 예비 멤브레인(103)은 상기 제1 예비 멤브레인(102)과 동일 물질 및 동일 방법으로 형성될 수 있다.
도 7을 참조 하면, 상기 제2 예비 멤브레인(103) 상에 백금(Pt), 금(Au), 텅스텐(W), 팔라듐(Pd), 실리콘(Si), 실리콘 합금 및 전도성 금속 산화물 중 적어도 하나를 포함하는 도전층이 형성될 수 있다. 상기 도전층은 스퍼터링 증착법(sputtering), 전자빔(E-beam) 또는 기화 증착법(Evaporation) 등에 의해 형성될 수 있다. 이 후 포토리소그래피 공정을 통한 패터닝 및 식각 공정이 수행되어 온도 센서(106), 히팅 저항체(107), 감지 전극들(108), 복수의 전극패드들(미도시) 및 복수의 도전선들(미도시)이 형성될 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 제2 예비 멤브레인(103) 상에 상기 히팅 저항체(107), 상기 감지 전극들(108) 및 상기 온도 센서(106)를 상호 전기적으로 절연시키는 절연막이 형성될 수 있다. 상기 절연막은 상기 제1 예비 멤브레인(102) 및 상기 제2 예비 멤브레인(103)과 동일 물질 및 동일 방법으로 형성될 수 있다. 이 후 포토리소그래피 공정을 통한 패터닝 및 식각 공정이 수행되어 상기 감지 전극들(108)을 노출하는 오프닝들(111)을 갖는 제3 예비 멤브레인(110a)이 형성될 수 있다.
도 9를 참조하면, 상기 개구부(105)를 통해 노출된 기판(101)의 하면이 벌크 식각되어 상기 제1 예비 멤브레인(102)의 하면을 노출시키는 에어 갭(air gap)(112)이 형성될 수 있다. 상기 식각 공정은 KOH, TMAH 또는 Deep RIE를 이용할 수 있다.
도 10을 참조하면, 상기 에어 갭(air gap)(112) 상의 상기 제1, 제2 및 제3 예비 멤브레인들(102, 103 및 110a)의 일부 영역이 관통되도록 식각되어 형성된 열 고립영역(113)이 형성될 수 있다. 이와 동시에 상기 열 고립영역(113)을 포함하는 제1, 제2 및 제3 멤브레인들(102b, 102c, 103a, 103b, 110b 및 110c)이 형성될 수 있다. 상기 열 고립영역(113)의 형성을 위해 반응성 이온 식각 공정 또는 습식 식각 공정이 수행될 수 있다.
도 11을 참조하면, 상기 제3 멤브레인(110c) 상에 상기 오프닝들(111)을 통해 상기 감지 전극들(108)과 전기적으로 연결되는 감지막(114)이 형성될 수 있다. 상기 감지막(114)은 금속 산화물, 금 나노입자, 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(Carbon nanoTube), 풀러렌(fullerene) 및 이황화 몰리브덴(MoS2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 금속 산화물은 텅스텐 산화물(WOx), 주석 산화물(SnOx), 아연 산화물(ZnOx), 인듐 산화물(InOx), 티타늄 산화물(TiOx), 갈륨 산화물(GaOx) 및 코발트 산화물(CoOx) 중 둘 이상이 일정한 비율로 결합될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 다른 실시예에 있어서, 상기 금속 산화물은 백금(Pt), 금(Au), 텅스텐(W) 및 팔라듐(Pd) 중 적어도 하나의 금속 또는 산화 알루미늄(Al2O3)과 같은 금속 산화물을 보조 입자로 더 포함할 수 있다.
상기 금속 산화물은 평균 직경의 크기가 1nm 내지 500nm 수준의 나노 입자일 수 있다. 또한 상기 금속 산화물은 나노 기둥으로 형성된 주상 구조를 가지는 박막일 수 있다. 상기 나노 입자는 상기 감지 전극들(108)과의 접촉력이 크게 향상 될 수 있어 상기 감지막(114)에 접촉된 가스에 의한 전기저항의 변화가 보다 민감하게 체크될 수 있다. 또한 상기 나노 입자의 감지물질은 표면적이 크고, 외부 영향에 의한 전기적인 변화가 크므로 가스 센서의 작동온도를 크게 낮출 수 있다.
상기 감지막(114)은 솔-젤법, 드롭 코팅법, 스크린 프린팅법, 스퍼터링 증착법 또는 화학 기상 증착법 등을 통하여 형성될 수 있다. 특히, 상기 나노 입자의 감지물질을 포함하는 감지막(114)은 접촉 인쇄, 나노 임플란트 또는 드롭 디스펜싱 방법에 의해 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 반도체식 가스 센서의 제조 방법에 의하면, 벌크 마이크로머시닝 공정을 이용하여 히팅 저항체에서 발생되는 열의 손실을 최소화할 수 있는 형상의 가스 센서를 대량으로 생산할 수 있다. 또한, 열적 스트레스로 인한 변형을 최소화하도록 설계된 멤브레인을 제공함으로써, 가열되는 멤브레인의 기계적 안정성이 향상될 수 있다. 따라서, 유비쿼터스 환경에서 사용될 수 있도록 소형화된 저전력의 마이크로 반도체식 가스 센서가 저비용으로 대량 생산될 수 있는 제조 방법이 제공될 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 반도체식 가스 센서를 설명하기 위한 사시도이다. 설명의 간소화를 위해 중복되는 구성의 설명은 생략한다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 반도체식 가스 센서는 두 개의 연결부(C1 및 C2)를 포함할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 마이크로 반도체식 가스 센서는 주변부(A)로부터 연장되어 상기 주변부(A)와 센서부(B)를 연결하는 캔티레버(cantilever) 형상의 연결부들(C1 및 C2)을 포함할 수 있다. 이를 통해 상기 센서부(B)의 기계적 안정성이 향상될 수 있다. 도시되지는 않았지만, 본 발명의 변형된 실시예에 따른 마이크로 반도체식 가스 센서는 3개 이상의 연결부들을 포함할 수 있다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 반도체식 가스 센서를 설명하기 위한 센서부의 확대 단면도이다. 설명의 간소화를 위해 중복되는 구성의 설명은 생략한다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 반도체식 가스 센서의 센서부는 제1 멤브레인(202) 및 상기 제1 멤브레인(202) 상의 히팅 저항체(207)를 포함할 수 있다. 상기 제1 멤브레인(202) 상에 상기 히팅 저항체(207)를 덮는 제2 멤브레인(203)이 배치될 수 있고, 상기 제2 멤브레인(203) 상에 감지 전극들(208)이 배치될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 히팅 저항체(207)의 일측에 온도 센서(206)가 배치될 수 있다.
상기 제2 멤브레인(203) 상에 상기 감지 전극들(208)을 노출하는 제3 멤브레인(210a)이 배치될 수 있다. 상기 제3 멤브레인(210a)은 상기 감지 전극들(208) 사이를 전기적으로 절연할 수 있다. 상기 제3 멤브레인(210a) 상에 상기 노출된 감지 전극들(208)과 전기적으로 연결되는 감지막(214)이 배치될 수 있다.
도 13의 마이크로 반도체식 가스 센서는 상기 센서부 상에 배치되는 상기 온도 센서(206), 상기 히팅 저항체(207) 및 상기 감지 전극들(208)의 배열을 달리하고 열 분산막이 배치되지 않는 것을 제외하면 실질적으로 도 1 내지 도 3의 마이크로 반도체식 가스 센서의 구조 동일하다. 따라서, 상기 멤브레인들(202, 203 및 210a), 상기 온도 센서(206), 상기 히팅 저항체(207), 상기 감지 전극들(208) 및 상기 감지막(214)은 도 1내지 도 3의 멤브레인들(100a, 102b, 102c, 103a, 103b, 110b 및 110c), 온도 센서(106), 히팅 저항체(107), 감지 전극들(108) 및 감지막(114)과 동일 물질 및 동일 방법으로 형성될 수 있다. 또한 도시되지는 않았지만, 도 13의 마이크로 반도체식 가스 센서의 복수의 전극패드들 및 복수의 도전선들은 그 배열만을 달리할 뿐 도 1 내지 도 3의 전극패드들(109a, 109b 및 109c) 및 도전선들(115a, 115b 및 115c)과 동일 물질 및 동일 방법으로 형성될 수 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
101: 기판 102: 제1 예비 멤브레인
103: 제2 예비 멤브레인 110a: 제3 예비 멤브레인
102b, 102c: 제1 멤브레인 103a, 103b: 제2 멤브레인
110b, 110c: 제3 멤브레인 104: 열 분산막
106, 206: 온도 센서 107, 207: 히팅 저항체
108, 208: 감지 전극 113: 열 고립영역
114, 214: 감지막
103: 제2 예비 멤브레인 110a: 제3 예비 멤브레인
102b, 102c: 제1 멤브레인 103a, 103b: 제2 멤브레인
110b, 110c: 제3 멤브레인 104: 열 분산막
106, 206: 온도 센서 107, 207: 히팅 저항체
108, 208: 감지 전극 113: 열 고립영역
114, 214: 감지막
Claims (19)
- 에어 갭(air gap)을 갖는 기판;
상기 기판 상에 제공되고, 전극패드들을 포함하는 주변부;
상기 전극패드들로부터 연결되는 감지 전극들 및 상기 감지 전극들 상의 감지막을 포함하고, 상기 에어 갭 상에 플로팅(floating) 되는 센서부; 및
상기 주변부와 상기 센서부를 연결하고, 상기 전극패드들과 상기 감지 전극들을 전기적으로 연결하는 도전선들을 포함하는 연결부를 포함하고,
상기 에어 갭은 상기 기판을 관통하고,
상기 에어 갭으로부터 상기 주변부와 상기 센서부 사이로 연장되는 열 고립영역이 제공되고,
상기 연결부는 상기 열 고립영역에 의해 정의되는 측벽을 갖고 상기 주변부로부터 연장되는 하나의 캔티레버(cantilever) 형상을 포함하고,
상기 주변부, 센서부 및 연결부는 차례로 적층된 제1 멤브레인, 제2 멤브레인 및 제3 멤브레인을 더 포함하되, 상기 제1 및 제3 멤브레인들은 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막 중 어느 하나를 포함하고, 제2 멤브레인은 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막 중 다른 하나를 포함하고,
상기 센서부는 상기 제2 멤브레인 상의 히팅 저항체 및 상기 제1 멤브레인과 상기 제2 멤브레인 사이에 제공되는 열 분산막을 더 포함하는 마이크로 반도체식 가스 센서. - 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 감지 전극들은 상기 제2 멤브레인 상에 제공되고,
상기 제3 멤브레인은 상기 감지 전극들을 노출하며 상기 히팅 저항체를 덮고,
상기 감지막은 상기 제3 멤브레인 상에 제공되고 상기 노출된 감지 전극들과 전기적으로 연결되는 마이크로 반도체식 가스 센서. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 센서부는 상기 제2 멤브레인과 상기 제3 멤브레인 사이에 제공되는 온도 센서를 더 포함하는 마이크로 반도체식 가스 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 히팅 저항체는 백금(Pt), 금(Au), 텅스텐(W), 팔라듐(Pd), 실리콘(Si), 실리콘 합금 또는 전도성 금속 산화물 중 적어도 하나를 포함하는 마이크로 반도체식 가스 센서. - 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 기판은 실리콘, 산화 알루미늄(Al2O3), 유리, 석영(quartz), 갈륨 비소(GaAs) 및 갈륨 질소(GaN) 중 적어도 하나를 포함하는 마이크로 반도체식 가스 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 감지 전극들은 백금(Pt), 금(Au), 텅스텐(W), 팔라듐(Pd), 실리콘(Si), 실리콘 합금 및 전도성 금속 산화물 중 적어도 하나를 포함하는 마이크로 반도체식 가스 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 감지막은 금속 산화물, 금 나노입자, 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(Carbon nanoTube), 풀러렌(fullerene) 및 이황화 몰리브덴(MoS2) 중 적어도 하나를 포함하는 마이크로 반도체식 가스 센서. - 삭제
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- 삭제
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| GRNT | Written decision to grant |