KR101842648B1 - Ｍｅｍｓ 구조를 가지는 히터 임베디드 유해 가스 센서의 제작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 MEMS 구조를 가지는 히터 임베디드 유해 가스 센서의 제작방법에 관한 것으로서, 본 발명의 유해 가스 센서의 제작방법은, 실리콘 기판의 상면과 하면에 열적 고립층을 위한 산화막과 보호층을 위한 질화막을 순차 적층하는 단계; 상기 하면에 형성된 상기 질화막과 상기 산화막을 순차 식각한 후, 드러난 실리콘층을 소정의 깊이까지 식각하여 캐비티를 형성하는 단계; 및 상기 상면에 마이크로 히터를 위한 전극들과 그 사이의 저항 패턴을 형성한 후, 그 위에 절연층, 감지 전극 패턴 및 감지 물질층을 순차 적층하는 단계를 포함한다.

Description

ＭＥＭＳ 구조를 가지는 히터 임베디드 유해 가스 센서의 제작방법{Harmful Gas Sensor of MEMS Structure having Embedded Heater}

본 발명은 가스 센서의 제작방법에 관한 것으로서, 특히, MEMS(Micro Electro Mechanical System) 구조를 가지는 히터 임베디드 유해 가스 센서의 제작방법에 관한 것이다.

실리콘 기반의 고체형 전자 소자는 박막화의 한계로 그 응용 범위도 한계에 부딪히고 있으며, 유비쿼터스 환경하에서 저전력 소형화가 가능한 새로운 형태의 반도체형 가스 센서 등의 소자 개발이 요구되고 있다. 나아가 개인 교통수단이 급속도로 보급되면서 자동차와 유기용제의 사용이 급증하여 그로 인한 VOCs(Volatile Organic Compounds, 휘발성유기화합물)인 유해 가스의 발생량이 증가하여 고효율 가스 센서의 기술 개발은 매우 중요한 문제가 되고 있다.

종래의 반도체형 가스 센서로서 마이크로 히터를 내장한 다양한 형태가 개발되고 있으나, 효율성을 개선할 여지가 많이 남아 있다. 기존과 같이 Si 기판 위에 마이크로 히터를 그대로 사용하게 되면 시뮬레이션 상으로는 문제가 없으나, 실제로는 전압을 인가하여 측정할 때 기판을 통해 열 방출이 커서 전력손실의 문제점이 발생한다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 마이크로 히터가 내장된 MEMS 구조를 통해 최소한의 공정으로 제작하여, 센서 동작 시의 열 방출이 최소화되고 열전달 특성을 개선하여 온도 대비 저전력 동작이 가능하고 최적의 가스 감지도를 가질 수 있는 300~400^oC 환경을 용이하게 구현하며, 유해 가스 감지물질의 비표면적을 넓힘으로써 유해가스에 대한 감지도를 향상시킬 수 있는, 고효율의 유해 가스 센서의 제작방법을 제공하는 데 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의일면에 따른 가스 센서의 제작방법은, 실리콘 기판의 상면과 하면에 열적 고립층을 위한 산화막과 보호층을 위한 질화막을 순차 적층하는 단계; 상기 하면에 형성된 상기 질화막과 상기 산화막을 순차 식각한 후, 드러난 실리콘층을 소정의 깊이까지 식각하여 캐비티를 형성하는 단계; 및 상기 상면에 마이크로 히터를 위한 전극들과 그 사이의 저항 패턴을 형성한 후, 그 위에 절연층, 감지 전극 패턴 및 감지 물질층을 순차 적층하는 단계를 포함한다.

상기 순차 적층하는 단계에서, 상기 산화막은 SiO₂ 층이고, 상기 질화막은 SiN_x 층이다.

상기 캐비티를 형성하는 단계에서, 상기 실리콘층의 두께가 30~70 μm 남을 때까지 상기 실리콘층을 식각한다.

상기 감지 전극 패턴의 마주보는 긴 패턴들의 길이 방향과 상기 마이크로 히터의 저항 패턴을 이루는 핑거들의 길이 방향이, 서로 직교하도록 형성된다.

상기 감지 물질층의 적층에서, 감지 물질 잉크 용액을 도포하고, RIE(Reactive ion etching) 방식을 이용한 플라즈마 처리로 비표면적을 향상시킬 수 있다.

그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 가스 센서는, 실리콘층 상면에 열적 고립층을 위한 산화막, 보호층을 위한 질화막, 마이크로 히터를 위한 전극들과 그 사이의 저항 패턴, 절연층, 감지 전극 패턴 및 감지 물질층을 순차 적층한 구조를 포함하고, 상기 실리콘층의 하면에는 상기 산화막과 상기 질화막의 순차 적층 구조로 둘러 쌓인 영역에 상기 실리콘층이 소정의 깊이까지 식각된 캐비티를 갖는다.

본 발명에 따른 MEMS 구조를 가지는 히터 임베디드 유해 가스 센서의 제작방법에 따르면, 마이크로 히터가 내장된 MEMS 구조를 통해 최소한의 공정으로 제작하여, 센서 동작 시의 열 방출이 최소화되고 열전달 특성을 개선하여 온도 대비 저전력 동작이 가능하고 최적의 가스 감지도를 가질 수 있는 300~400^oC 환경을 용이하게 구현하며, 유해 가스 감지물질의 비표면적을 넓힘으로써 유해가스에 대한 감지도를 향상시킬 수 있는 고효율의 유해 가스 센서를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 구조를 가지는 히터 임베디드 유해 가스 센서의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유해 가스 센서의 제작을 위한 공정 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 온도 구배를 일정하게 만들기 위한 마이크로 히터에 대한 패턴의 일례이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 고효율의 고감도 특성을 얻기 위한 감지 전극에 대한 패턴의 일례이다.
도 5는 도 3의 히터 전극과 도 4의 감지 전극의 적층 구조를 위에서 볼 때의 중첩된 모습이다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해서 자세히 설명한다. 이때, 각각의 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타낸다. 또한, 이미 공지된 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하에 개시된 내용은, 다양한 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분을 중점적으로 설명하며, 그 설명의 요지를 흐릴 수 있는 요소들에 대한 설명은 생략한다. 또한 도면의 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니며, 따라서 각각의 도면에 그려진 구성요소들의 상대적인 크기나 간격에 의해 여기에 기재되는 내용들이 제한되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 구조를 가지는 히터 임베디드 유해 가스 센서(100)의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 구조를 가지는 히터 임베디드 유해 가스 센서(100)는, 실리콘층(10) 상면에 열적 고립층을 위한 산화막(111)(예, SiO₂ 층), 보호층을 위한 질화막(112)(예, SiN_x 층), 마이크로 히터(micro heater)를 위한 전극들과 그 사이의 저항 패턴(120)(예, Ti-Pt 금속), 절연층(130)(예, Al₂O₃층), 감지 전극 패턴(140)(예, Ti-Pt 금속) 및 감지 물질층(150)(예, SnO₂층)을 순차 적층한 구조를 포함하고, 실리콘층(10)의 하면에는 산화막(111)(예, SiO₂ 층)과 질화막(112)(예, SiN_x 층)의 순차 적층 구조로 둘러 쌓인 영역에 실리콘층(10)이 소정의 깊이(예, 남아있는 실리콘층의 두께가 50μm 정도 로서 30~70 μm 가능)까지 식각된 캐비티(cavity)를 포함한다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 구조를 가지는 히터 임베디드 유해 가스 센서(100)의 제작 공정을 도 2의 공정 순서도를 참조하여 자세히 설명한다.

먼저, 실리콘층(10)이 될 Si 기판을 준비하여 적절히 세정하고, 도 2의 (a), (b)와 같이, Si 기판(10)의 상면과 하면에 열적 고립층을 위한 산화막(111)(예, SiO₂ 층)과 보호층을 위한 질화막(112)(예, SiN_x 층)을 순차 적층한다.

이와 같은 증착 과정은 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 챔버에서 이루어질 수 있으며, 산화막(111)(예, SiO₂ 층)은 열 방출을 줄이기 위한 열적 고립층으로 작용하도록 1000nm 정도(예, 800~1200nm) 두께로 증착하고, 질화막(112)(예, SiN_x 층)은 하기하는 바와 같은 KOH 용액을 이용한 실리콘층(10)의 식각시 산화막(111)(예, SiO₂ 층)을 보호하도록 100nm 정도(예, 80~120nm) 두께로 증착한다.

다음에, 산화막(111)(예, SiO₂ 층)과 질화막(112)(예, SiN_x 층)이 적층된 Si 기판을 LPCVD 챔버에서 꺼내고(도 2의 (c)), 소정의 타겟 영역(200)에 대해 실리콘층(10) 하면에 형성된 질화막(112)(예, SiN_x 층)과 산화막(111)(예, SiO₂ 층)을 순차 식각한 후(도 2의 (d)), 드러난 실리콘층(10)을 소정의 깊이까지 식각하여 캐비티를 형성한다(도 2의 (e), (f)).

여기서, 질화막(112)(예, SiN_x 층)과 산화막(111)(예, SiO₂ 층)의 식각(도 2의 (d))은 벌크 미세가공, 예를 들어, 레이저 가공 방식으로 이루어질 수도 있고, 경우에 따라서는 다른 건식 식각 방식 또는 습식 식각 방식 등으로 이루어질 수도 있다. 또한, 이에 따라 타겟 영역(200)에 실리콘층(10)이 드러나면, 해당 부분에 대하여 KOH 용액 등을 이용하여 실리콘층(10)을 식각하되 실리콘층(10)의 두께가 50 μm 정도, 예를 들어, 30~70 μm 남을 때까지 식각하여 캐비티를 형성한다(도 2의 (e)). KOH 식각 후 실리콘층(10)에 남아 있는 잔여 실리콘 등을 제거하기 위하여 XeF₂ 가스를 이용하여 소정의 시간 동안 건식 식각 하는 과정을 포함할 수 있다(도 2의 (f)).

이와 같은 과정으로 실리콘층(10)의 상면에 산화막(111)(예, SiO₂ 층)과 질화막(112)(예, SiN_x 층)이 순차 적층되고, 실리콘층(10)의 하면에 산화막(111)(예, SiO₂ 층)과 질화막(112)(예, SiN_x 층)의 순차 적층 구조로 둘러 쌓인 영역에 실리콘층(10)이 소정의 깊이(예, 남아있는 실리콘층의 두께가 50μm 정도로서 30~70 μm 가능)까지 식각된 캐비티(cavity)를 갖는 구조가 제작된 후, 하프 다이싱(half dicing)을 통해 이와 같은 구조물들이 각각 Si 기판 상에서 개별 소자로 분리될 수 있고, 이 후 공정은 개별 소자에 대해 이루어지도록 할 수 있다. 다만, 경우에 따라서는 하기하는 후속 공정들, 즉, 도 2의 (g), (h), (i)이 모두 이루어 진후에 하프 다이싱을 통해 개별 소자로 분리될 수도 있다.

이와 같이 실리콘층(10)의 하면에 캐비티가 형성된 후에는, 캐비티 반대쪽으로 실리콘층(10)의 상면에 마이크로 히터 패턴(120), 즉, 마이크로 히터를 위한 전극들과 그 사이의 저항 패턴을 형성한다(도 2의 (g)).

이와 같은 마이크로 히터의 패턴은 실리콘층(10) 상면의 질화막(112)(예, SiN_x 층) 위에, 소정의 포토레지스트를 도포한 후 해당 패턴으로 노광하여 패턴 이외의 부분에 대한 포토레지스트를 제거한 후, 스퍼터링(Sputtering)을 이용해 기판과의 접착력 향상을 위해 Ti을 소량 증착한 후, Pt를 순차 증착하고, 남아있는 포토레지스트를 리프트-오프(Lift-off) 방식 등으로 제거함으로써 이루어질 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 온도 구배를 일정하게 만들기 위한 마이크로 히터(120)에 대한 패턴의 일례이다.

도 3과 같이, 마이크로 히터(120)는 양단의 전극들(121, 122)과 그 사이의 저항 패턴(123)을 포함한다. 온도 구배를 일정하게 만들기 위해, 양단의 전극들(121, 122) 사이의 저항 패턴(123)은 다양한 형태로 가능하지만, 예를 들어, 핑거(일측 끝에서 타측 끝으로 향하는 가로/세로 패턴 중 길이가 긴 쪽의 패턴)의 개수를 도면과 같이 5개 정도(예, 3 ~ 10개 범위에서 적절히 선택 가능)로 하는 것이 바람직하며, 그 선저항을 고려하여 두께와 폭을 적절히 설계하고, 핑거(finger) 간의 간격은 50, 100, 150, 200, 250, 300 μm 등으로 적절히 설계될 수 있다.

이와 같이, 마이크로 히터(120)에 대한 패턴이 형성된 후에는 소정의 증착 챔버에서 그 위에 절연층(130)을 적층한다(도 2의 (h)). 여기서는, 쉐도우 마스크를 이용하여 적절한 열전도계수를 갖는 절연 물질(예, Al₂O₃)을 마이크로 히터 패턴(120)의 저항 패턴(123)을 모두 커버하도록 그 위에 250nm 정도(예, 200~500nm 가능) 증착할 수 있다.

절연층(130)을 적층한 후에는, 그 위에 감지 전극 패턴(140)을 형성하며 그 위에 감지 물질층(150)을 순차 적층한다(도 2의 (i)). 감지 전극 패턴(140)의 형성은 도 2의 (g)와 유사하게, 소정의 포토레지스트를 도포한 후 해당 패턴으로 노광하여 패턴 이외의 부분에 대한 포토레지스트를 제거한 후, 스퍼터링을 이용해 기판과의 접착력 향상을 위해 Ti을 소량 증착한 후, Pt를 순차 증착하고, 남아있는 포토레지스트를 리프트-오프 방식 등으로 제거함으로써 이루어질 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 고효율의 고감도 특성을 얻기 위한 감지 전극에 대한 패턴(140)의 일례이다.

도 4와 같이, 감지 전극 패턴(140)은, 2개의 분리된 패턴(141, 142)으로 이루진다. 그 선저항을 고려하여 두께와 폭을 적절히 설계하고, 마주보는 긴 패턴들간의 간격은 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60 μm 등으로 적절히 설계될 수 있다.

도 5는 도 3의 히터 전극과 도 4의 감지 전극의 적층 구조를 위에서 볼 때의 중첩된 모습이다.

도 5와 같이, 감지 전극 패턴(140)의 마주보는 긴 패턴들의 길이 방향과 마이크로 히터(120)의 저항 패턴(123)을 이루는 핑거들의 길이 방향이, 서로 직교하도록 배치되는 것이 바람직하다. 절연층(130)의 증착 시에 발생할 수 있는 핀홀 (pin holes) 등에 의해 감지 전극 패턴(140)와 마이크로 히터(120) 패턴 간에 단락(short)이 발생할 수 있는데, 이와 같은 구조에 따라 같은 방향으로 금속층을 중첩하여 증착하는 것을 최소화하고 서로 직교적으로 증착되도록하여, 절연층(130)의 형성 시에 위와 같은 핀홀 발생을 줄일 수 있다.

한편, 감지 물질층(150)의 적층을 위하여, 감지 물질 잉크 용액을 도포하고, RIE(Reactive ion etching) 방식을 이용한 플라즈마 처리로 비표면적을 향상시킬 수 있다(도 2의 (i)).

예를 들어, 감지 물질층(150)을 위한 감지 물질 잉크는 히드라진(hydrazine)법 등을 이용하여 SnO₂ 분말을 제조하고 물, 글리세롤, 비신(bicine) 등을 혼합한 용액으로서, 이를 감지 전극 패턴(140) 위에 도포하고, Ar, O₂ 가스 등과 함께 RIE 방식을 이용한 플라즈마 처리로 입자 크기가 10nm 이하로 미세화되는 표면 변화를 확인할 수 있고, 이를 통해 비표면적을 향상시킬 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 MEMS 구조를 가지는 히터 임베디드 유해 가스 센서(100)는, 마이크로 히터(120)가 내장된 MEMS 구조를 통해 최소한의 공정으로 제작하여, 마이크로 히터(120) 전극들(121, 122)에 전압을 인가하여 센서 동작 시의 열 방출이 최소화되고 열전달 특성을 개선하여 온도 대비 저전력 동작이 가능하고 최적의 가스 감지도를 가질 수 있는 300~400^oC 환경을 용이하게 구현할 수 있다. 또한, 유해 가스 감지 물질층(150)의 비표면적을 넓힘으로써, 센서 동작 시 감지 물질층(150)이 유해 가스와 반응하여 도전율이나 전위의 변화 등이 더 뚜렷하게 나타나도록 하여 감지 전극 패턴(140)으로 검출하는 전위 변화 등에 대한 감지도를 향상시킬 수 있는 고효율의 유해 가스 센서를 제공할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

실리콘층(10)
산화막(111)
질화막(112)
마이크로 히터(120)
절연층(130)
감지 전극 패턴(140)
감지 물질층(150)

Claims (10)

1. 실리콘 기판의 상면과 하면에 열적 고립층을 위한 산화막과 보호층을 위한 질화막을 순차 적층하는 단계;
   상기 하면에 형성된 상기 질화막과 상기 산화막을 순차 식각한 후, 드러난 실리콘층을 식각하여 캐비티를 형성하는 단계; 및
   상기 상면에 마이크로 히터를 위한 전극들과 그 사이의 저항 패턴을 형성한 후, 그 위에 절연층, 감지 전극 패턴 및 감지 물질층을 순차 적층하는 단계를 포함하고,
   상기 감지 물질층은, 감지 물질 잉크 용액을 도포한 후, 비표면적이 향상되도록 RIE(Reactive ion etching) 방식을 이용하여 플라즈마 처리되어 형성되며,
   상기 감지 물질 잉크 용액은 SnO₂ 분말과 물, 글리세롤 및 비신을 포함하여 혼합한 용액인 것을 특징으로 하는 가스 센서의 제작방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 순차 적층하는 단계에서, 상기 산화막은 SiO₂ 층이고, 상기 질화막은 SiN_x 층인 것을 특징으로 하는 가스 센서의 제작방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 캐비티를 형성하는 단계에서, 상기 실리콘층의 두께가 30~70 μm 남을 때까지 상기 실리콘층을 식각하는 것을 특징으로 하는 가스 센서의 제작방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 감지 전극 패턴의 마주보는 긴 패턴들의 길이 방향과 상기 마이크로 히터의 저항 패턴을 이루는 핑거들의 길이 방향이, 서로 직교하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 센서의 제작방법.
5. 삭제
6. 실리콘층 상면에 열적 고립층을 위한 산화막, 보호층을 위한 질화막, 마이크로 히터를 위한 전극들과 그 사이의 저항 패턴, 절연층, 감지 전극 패턴 및 감지 물질층을 순차 적층한 구조를 포함하고,
   상기 실리콘층의 하면에는 상기 산화막과 상기 질화막의 순차 적층 구조로 둘러 쌓인 영역에 상기 실리콘층이 식각되어 형성된 캐비티를 가지며,
   상기 감지 물질층은, 감지 물질 잉크 용액을 도포한 후, 비표면적이 향상되도록 RIE(Reactive ion etching) 방식을 이용하여 플라즈마 처리되어 형성되며,
   상기 감지 물질 잉크 용액은 SnO₂ 분말과 물, 글리세롤 및 비신을 포함하여 혼합한 용액인 것을 특징으로 하는 가스 센서.
7. 제6항에 있어서,
   상기 산화막은 SiO₂ 층이고, 상기 질화막은 SiN_x 층인 것을 특징으로 하는 가스 센서.
8. 제6항에 있어서,
   상기 캐비티 부분의 상기 실리콘층의 두께가 30~70 μm인 것을 특징으로 하는 가스 센서.
9. 삭제
10. 제6항에 있어서,
    상기 감지 전극 패턴의 마주보는 긴 패턴들의 길이 방향과 상기 마이크로 히터의 저항 패턴을 이루는 핑거들의 길이 방향이, 서로 직교하도록 배치된 것을 특징으로 하는 가스 센서.

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