KR102361250B1 - 마이크로 가스센서 어레이 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이는 멤브레인층이 상면에 형성된 베이스 기판, 상기 베이스 기판의 상기 멤브레인층의 상면 중앙부를 중심으로 십자 모양으로 형성된 공통 마디, 상기 공통 마디의 중심을 기준으로 제1 사분면 영역에 형성되고 상기 공통 마디와 일단이 전기적으로 연결된 제1 히터전극패턴, 상기 제1 히터전극패턴과 절연되되 상기 제1 히터전극패턴의 상면에 형성된 제1 감지전극패턴, 및 상기 제1 감지전극패턴의 상면에 상기 제1 감지전극패턴과 전기적으로 연결되도록 형성된 제1 감지물질을 포함하는 제1 가스센싱부, 상기 공통 마디의 중심을 기준으로 제2 사분면 영역에 형성되고 상기 공통 마디와 일단이 전기적으로 연결된 제2 히터전극패턴, 상기 제2 히터전극패턴과 절연되되 상기 제2 히터전극패턴의 상면에 형성된 제2 감지전극패턴, 및 상기 제2 감지전극패턴의 상면에 상기 제2 감지전극패턴과 전기적으로 연결되도록 형성된 제2 감지물질을 포함하는 제2 가스센싱부, 상기 공통 마디의 중심을 기준으로 제3 사분면 영역에 형성되고 상기 공통 마디와 일단이 전기적으로 연결된 제3 히터전극패턴, 상기 제3 히터전극패턴과 절연되되 상기 제3 히터전극패턴의 상면에 형성된 제3 감지전극패턴, 및 상기 제3 감지전극패턴의 상면에 상기 제3 감지전극패턴과 전기적으로 연결되도록 형성된 제3 감지물질을 포함하는 제3 가스센싱부, 및 상기 공통 마디의 중심을 기준으로 제4 사분면 영역에 형성되고 상기 공통 마디와 일단이 전기적으로 연결된 제4 히터전극패턴, 상기 제4 히터전극패턴과 절연되되 상기 제4 히터전극패턴의 상면에 형성된 제4 감지전극패턴, 및 상기 제4 감지전극패턴의 상면에 상기 제4 감지전극패턴과 전기적으로 연결되도록 형성된 제4 감지물질을 포함하는 제4 가스센싱부를 포함하며, 상기 공통 마디는 상기 제1 히터전극패턴 내지 상기 제4 히터전극패턴과 전기적으로 연결되어 그라운드로서 기능한다.

Description

마이크로 가스센서 어레이 및 그 제조방법{MICRO GAS SENSOR ARRAY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 마이크로 가스센서 어레이 및 그 제조방법에 관한 것이다.
현대 사회에서 가스의 사용은 일상생활에서의 편리성을 가져다 주었으나, 다양한 가스 중에서 유해한 가스의 잘못된 사용 또는 누출에 의하여 인적 물적 피해가 발생할 수 있다. 대부분의 가스는 무색 무취의 특성을 가지므로, 인간의 오감으로는 용이하게 감지하기 어렵다.
이러한 유해성 가스를 감지하기 위해, 가스가 가지는 고유한 특성을 이용하여 특정 가스를 감지하는 가스센서들이 개발되어 이용되고 있다. 가스센서는 접촉연소 방식, 고체전해질 방식, 전기화학적 방식, 세라믹 반도체 방식 등을 이용하여 다양하게 개발되어 사용되어 왔다. 한편, 최근에는 실리콘 반도체 공정과 미세전자기계시스템(Micro Electro Mechanical System) 기술을 적용하여 가스센서의 집적화, 소형화, 및 저가격화를 위한 시도가 계속하여 이루어지고 있다. 이렇게 개발된 가스센서는 가스의 농도 측정, 가스경보, 가스 누설의 감지, 및 AQS(Air Quality System) 등에 사용되고 있다.
이 중 금속산화물을 이용하는 전도성 가스센서의 경우, 금속 전극 상에 감지물질이 도포된 형태를 가진다. 가스가 감지물질 위를 지나가면 감지물질이 가스와 반응하여 금속 전극 양단 사이의 저항값이 변화함으로써 가스의 존재를 감지할 수 있다. 감지하고자 하는 가스에 따라 서로 다른 감지물질이 사용될 수 있고, 각 감지물질이 가장 최적으로 가스를 감지하기 위한 온도를 가지기 위해 감지물질을 가열할 수 있다.
KR 10-1104306 B1
본 발명의 일실시예에 따른 목적은, 베이스 기판의 중앙부에 공통 마디를 구성하여 그 공통 마디를 중심으로 각 사분면에 구성된 히터전극패턴이 병렬적으로 전기적 연결되는 마이크로 가스센서 어레이를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 목적은 히터전극패턴, 히터전극패드, 공통 히터전극패드, 및 감지전극패드를 동시에 형성하여 어레이의 집적도를 향상시키기 위한 마이크로 가스센서 어레이 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이는 멤브레인층이 상면에 형성된 베이스 기판, 상기 베이스 기판의 상기 멤브레인층의 상면 중앙부를 중심으로 십자 모양으로 형성된 공통 마디, 상기 공통 마디의 중심을 기준으로 제1 사분면 영역에 형성되고 상기 공통 마디와 일단이 전기적으로 연결된 제1 히터전극패턴, 상기 제1 히터전극패턴과 절연되되 상기 제1 히터전극패턴의 상면에 형성된 제1 감지전극패턴, 및 상기 제1 감지전극패턴의 상면에 상기 제1 감지전극패턴과 전기적으로 연결되도록 형성된 제1 감지물질을 포함하는 제1 가스센싱부, 상기 공통 마디의 중심을 기준으로 제2 사분면 영역에 형성되고 상기 공통 마디와 일단이 전기적으로 연결된 제2 히터전극패턴, 상기 제2 히터전극패턴과 절연되되 상기 제2 히터전극패턴의 상면에 형성된 제2 감지전극패턴, 및 상기 제2 감지전극패턴의 상면에 상기 제2 감지전극패턴과 전기적으로 연결되도록 형성된 제2 감지물질을 포함하는 제2 가스센싱부, 상기 공통 마디의 중심을 기준으로 제3 사분면 영역에 형성되고 상기 공통 마디와 일단이 전기적으로 연결된 제3 히터전극패턴, 상기 제3 히터전극패턴과 절연되되 상기 제3 히터전극패턴의 상면에 형성된 제3 감지전극패턴, 및 상기 제3 감지전극패턴의 상면에 상기 제3 감지전극패턴과 전기적으로 연결되도록 형성된 제3 감지물질을 포함하는 제3 가스센싱부, 및 상기 공통 마디의 중심을 기준으로 제4 사분면 영역에 형성되고 상기 공통 마디와 일단이 전기적으로 연결된 제4 히터전극패턴, 상기 제4 히터전극패턴과 절연되되 상기 제4 히터전극패턴의 상면에 형성된 제4 감지전극패턴, 및 상기 제4 감지전극패턴의 상면에 상기 제4 감지전극패턴과 전기적으로 연결되도록 형성된 제4 감지물질을 포함하는 제4 가스센싱부를 포함하며, 상기 공통 마디는 상기 제1 히터전극패턴 내지 상기 제4 히터전극패턴과 전기적으로 연결되어 그라운드로서 기능한다.
또한, 상기 제1 감지전극패턴 내지 상기 제4 감지전극패턴의 하면에 위치하되, 상기 제1 가스센싱부 내지 상기 제4 가스센싱부의 상기 제1 히터전극패턴 내지 상기 제4 히터전극패턴, 및 상기 공통 마디를 덮는 절연층을 포함하며, 상기 멤브레인층의 둘레에 형성된 제1 히터전극패드 내지 제4 히터전극패드, 제1 감지전극패드 내지 제4 감지전극패드, 및 상기 공통 마디를 상기 멤브레인층 상에 지지하는 영역의 상기 베이스 기판의 두께가 균일하게 유지되도록 캐비티를 형성한다.
본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이 제조방법은 (A) 베이스 기판의 상면에 멤브레인층을 형성하는 단계, (B) 상기 베이스 기판의 상기 멤브레인층의 상면 중앙부를 중심으로 십자 모양의 공통 마디, 상기 공통 마디의 중심을 기준으로 제1 사분면 영역에 제1 히터전극패턴, 상기 공통 마디의 중심을 기준으로 제2 사분면 영역에 제2 히터전극패턴, 상기 공통 마디의 중심을 기준으로 제3 사분면 영역에 제3 히터전극패턴, 상기 공통 마디의 중심을 기준으로 제4 사분면 영역에 제4 히터전극패턴, 상기 제1 히터전극패턴 내지 상기 제4 히터전극패턴 각각의 타단이 전기적으로 연결된 제1 히터전극패드 내지 제4 히터전극패드, 및 제1 감지전극패드 내지 제4 감지전극패드를 동시에 형성하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 (B) 단계 이후에, (C) 상기 제1 히터전극패턴 내지 상기 제4 히터전극패턴, 및 상기 공통 마디를 덮도록 상기 제1 히터전극패턴 내지 상기 제4 히터전극패턴, 및 상기 공통 마디의 상면에 절연층을 형성하는 단계, (D) 상기 제1 히터전극패턴 내지 상기 제4 히터전극패턴의 상면에 각각 제1 감지전극패턴 내지 제4 감지전극패턴을 형성함과 동시에, 상기 제1 감지전극패턴 내지 상기 제4 감지전극패턴의 양단에 각각 전기적으로 연결하는 단계, (E) 상기 제1 감지전극패턴 내지 상기 제4 감지전극패턴의 상면에 상기 제1 감지전극패턴 내지 상기 제4 감지전극패턴과 전기적으로 연결되도록 감지물질을 형성하는 단계, 및 (F) 상기 멤브레인층의 둘레에 형성된 제1 히터전극패드 내지 제4 히터전극패드, 상기 제1 감지전극패드 내지 상기 제4 감지전극패드, 및 상기 공통 마디를 상기 멤브레인층 상에 지지하는 영역의 상기 베이스 기판의 두께가 균일하게 유지되도록 캐비티를 형성하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 제1 가스센싱부 내지 제4 가스센싱부를 하나의 어레이로 형성함으로써 다양한 감지물질을 사용하여 하나의 어레이가 다양한 가스를 감지할 수 있는 이점이 있다.
또한, 제1 히터전극패턴 내지 제4 히터전극패턴의 일단에 연결되는 히터전극패드는 공통 히터전극패드로, 제1 히터전극패턴 내지 제4 히터전극패턴의 타단에 연결되는 히터전극패드는 독립 패드인 제1 히터전극패드 내지 제4 히터전극패드로 형성하여 병렬구조를 구성함으로써, 하나의 가스센싱부가 파손 등으로 인하여 작동이 불가능하게 되더라도 나머지 가스센싱부는 정상적으로 작동이 가능하게 하는 이점이 있다.
또한, 공통 히터전극패드를 형성하여 병렬구조를 구성함으로써, 각각의 가스센싱부의 제1 히터전극패턴 내지 제4 히터전극패턴에 인가되는 전압을 개별적으로 제어함으로써 감지물질의 선택도를 높이거나, 또는 서로 다른 감지물질을 사용할 경우 각각의 감지물질이 최적의 감도를 가지기 위한 온도로 제어할 수 있는 이점이 있다.
또한, 공통 히터전극패드를 형성함으로써, 복수의 마이크로 가스센서 유닛을 제작할 때 하나의 칩으로 구성함으로써 제작 공정을 간소화하고, 전극패드들을 와이어 본딩(wire bonding)할 때 연결을 간소화하는 이점이 있다.
또한, 베이스 기판을 식각할 때 건식 식각 기술을 이용함으로써, 캐비티 구조를 형성함에 있어 불필요한 공간을 감소시키고, 마이크로 가스센서 어레이를 소형화하는 이점이 있다.
또한, 베이스 기판을 식각할 때 건식 식각 기술을 이용하여 멤브레인층이 노출되는 단면을 원형으로 구성함으로써, 멤브레인이 노출되는 단면의 모서리 부분에서 발생할 수 있는 응력 집중(stress concentration)을 완화시켜 기계적 신뢰성을 향상시키는 이점이 있다.
도 1 및 도 2는 각각 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이의 평면도 및 단면도이다.
도 3 및 도 4는 종래의 마이크로 가스센서 어레이의 평면도 및 단면도이다.
도 5 내지 도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도 및 공정 평면도이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이의 평면도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "일면", "타면", "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명하기로 하며, 동일한 참조부호는 동일한 부재를 가리킨다.
본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이(10)는, 멤브레인층(110)이 상면에 형성된 베이스 기판(100), 상기 베이스 기판(100)의 상기 멤브레인층(110)의 상면 중앙부를 중심으로 십자 모양으로 형성된 공통 마디(120), 상기 공통 마디(120)의 중심을 기준으로 제1 사분면 영역에 형성되고 상기 공통 마디(120)와 일단이 전기적으로 연결된 제1 히터전극패턴(131), 상기 제1 히터전극패턴(131)과 절연되되 상기 제1 히터전극패턴(131)의 상면에 형성된 제1 감지전극패턴(151), 및 상기 제1 감지전극패턴(151)의 상면에 상기 제1 감지전극패턴(151)과 전기적으로 연결되도록 형성된 제1 감지물질을 포함하는 제1 가스센싱부(20), 상기 공통 마디(120)의 중심을 기준으로 제2 사분면 영역에 형성되고 상기 공통 마디(120)와 일단이 전기적으로 연결된 제2 히터전극패턴(132), 상기 제2 히터전극패턴(132)과 절연되되 상기 제2 히터전극패턴(132)의 상면에 형성된 제2 감지전극패턴(152), 및 상기 제2 감지전극패턴(152)의 상면에 상기 제2 감지전극패턴(152)과 전기적으로 연결되도록 형성된 제2 감지물질을 포함하는 제2 가스센싱부(30), 상기 공통 마디(120)의 중심을 기준으로 제3 사분면 영역에 형성되고 상기 공통 마디(120)와 일단이 전기적으로 연결된 제3 히터전극패턴(133), 상기 제3 히터전극패턴(133)과 절연되되 상기 제3 히터전극패턴(133)의 상면에 형성된 제3 감지전극패턴(153), 및 상기 제3 감지전극패턴(153)의 상면에 상기 제3 감지전극패턴(153)과 전기적으로 연결되도록 형성된 제3 감지물질을 포함하는 제3 가스센싱부(40), 및 상기 공통 마디(120)의 중심을 기준으로 제4 사분면 영역에 형성되고 상기 공통 마디(120)와 일단이 전기적으로 연결된 제4 히터전극패턴(134), 상기 제4 히터전극패턴(134)과 절연되되 상기 제4 히터전극패턴(134)의 상면에 형성된 제4 감지전극패턴(154), 및 상기 제4 감지전극패턴(154)의 상면에 상기 제4 감지전극패턴(154)과 전기적으로 연결되도록 형성된 제4 감지물질을 포함하는 제4 가스센싱부(50)를 포함하며, 상기 공통 마디(120)는 상기 제1 히터전극패턴(131) 내지 상기 제4 히터전극패턴(134)과 전기적으로 연결되어 그라운드로서 기능한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이(10)의 평면도이고, 도 2는 도 1의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 베이스 기판(100) 상에 멤브레인층(110)이 형성되고, 멤브레인층(110)의 상면으로 중앙부를 중심으로 십자 모양의 공통 마디(120)가 형성된다. 멤브레인층(110)은 베이스 기판(100)의 상면에 1 ~ 2 ㎛ 두께의 이산화규소(SiO2), 또는 질화규소(Si3N4) 박막의 형태로 저압화학기상증착(low pressure chemical vapor deposition : LPCVD) 또는 스퍼터링 증착(sputtering deposition)을 사용하여 증착될 수 있다. 멤브레인층(110)은 제1 가스센싱부(20) 내지 제4 가스센싱부(50), 및 공통 마디(120) 등을 지지하는 역할을 한다.
한편, 공통 마디(120)의 중심을 기준으로 하여 제1 사분면 영역에는 제1 가스센싱부(20), 제2 사분면 영역에는 제2 가스센싱부(30), 제3 사분면 영역에는 제3 가스센싱부(40), 그리고 제4 사분면 영역에는 제4 가스센싱부(50)가 형성된다. 제1 가스센싱부(20) 내지 제4 가스센싱부(50)는 각각 가스와 반응하여 동작함으로써 가스를 검출하기 위해 사용된다.
제1 사분면 영역의 제1 가스센싱부(20)는 제1 히터전극패턴(131), 제1 감지전극패턴(151), 및 제1 감지물질을 포함한다. 제1 히터전극패턴(131)은 그 일단이 공통 마디(120)에, 그 타단이 제1 히터전극패드(136)에 전기적으로 연결된다. 제1 히터전극패드(136)에 전압이 인가되면, 제1 히터전극패드(136)에 전기적으로 연결된 제1 히터전극패턴(131)에 전류가 흐른다. 전류가 흐르는 중에 제1 히터전극패턴(131)이 가지는 저항에 의하여 제1 히터전극패턴(131)이 발열한다. 제1 히터전극패턴(131)의 발열에 의해 제1 히터전극패턴(131)에 인접한 구성요소들에 열에너지가 전달된다. 제1 히터전극패턴(131)의 재료로는 백금(Pt), 다결정 실리콘(Poly-Si), 산화루테늄(RuO2) 등이 사용될 수 있다.
도 2를 참조하면, 제1 히터전극패턴(131)의 상면은 절연되고, 그 위로 제1 감지전극패턴(151)이 형성된다. 제1 감지전극패턴(151)은 10 ~ 20 nm의 티타늄(Ti) 박막 및 100 ~ 300 nm의 백금(Pt) 박막을 포함하는 형태로 증착될 수 있다. 또한, 제1 감지전극패턴(151)의 상면에는 제1 감지전극패턴(151)을 덮도록 제1 감지물질이 형성된다. 제1 감지물질은 제1 감지물질 표면에 위치한 산소이온이 공기 중의 가스와 화학적으로 반응하여 전기전도도가 변화하므로, 제1 감지물질과 전기적으로 연결된 제1 감지전극패턴(151)이 제1 감지물질의 전기전도도 변화를 측정할 수 있다. 한편, 제1 감지물질의 종류는 검출하고자 하는 가스의 종류에 따라 다양할 수 있으나, 산화주석(SnO2), 산화티타늄(TiO2), 산화텅스텐(WO3), 산화아연(ZnO) 등의 금속산화물들이 기본적인 제1 감지물질로서 사용될 수 있다. 이러한 금속산화물들은 NOx, COx 등의 가스의 검출에 사용될 수 있다.
전술한 바와 같이 베이스 기판(100) 상의 멤브레인층(110)의 상면에 제1 가스센싱부(20)가 형성된 것과 마찬가지로, 제2 가스센싱부(30)는 공통 마디(120)의 중심을 기준으로 하여 제2 사분면 영역에, 제3 가스센싱부(40)는 공통 마디(120)의 중심을 기준으로 하여 제3 사분면 영역에, 및 제4 가스센싱부(50)는 공통 마디(120)의 중심을 기준으로 하여 제4 사분면 영역에 각각 형성된다. 이 때, 각각의 가스센싱부가 서로에 대해 반드시 대칭을 이루어 형성되어야 하는 것은 아니며, 공통 마디(120)의 중심을 기준으로 각 사분면에 형성될 수 있는 어떠한 형태라도 가능하다.
한편, 도 1을 참조하면 제1 히터전극패턴 내지 제4 히터전극패턴(131, 132, 133, 134)의 타단에 각각 제1 히터전극패드 내지 제4 히터전극패드(136, 137, 138, 139)가 전기적으로 연결되며, 제1 히터전극패턴 내지 제4 히터전극패턴(131, 132, 133, 134)의 일단에는 공통 마디(120)가 연결되고, 이러한 공통 마디(120)가 가지는 구조적 특성에 의하여 제1 가스센싱부 내지 제4 가스센싱부(20, 30, 40, 50)는 병렬적으로 연결된다. 따라서 제1 히터전극패턴 내지 제4 히터전극패턴(131, 132, 133, 134)의 일단에 연결되는 히터전극패드는 공통 히터전극패드(121)로, 제1 히터전극패턴 내지 제4 히터전극패턴(131, 132, 133, 134)의 타단에 연결되는 히터전극패드는 독립 패드인 제1 히터전극패드 내지 제4 히터전극패드(136, 137, 138, 139)로 형성하여 병렬구조를 구성함으로써, 하나의 가스센싱부가 파손 등으로 인하여 작동이 불가능하게 되더라도 나머지 가스센싱부는 정상적으로 작동이 가능하게 하는 이점이 있다.
또한, 전술한 바와 같이 병렬구조를 구성하면, 각각의 제1 히터전극패드 내지 제4 히터전극패드(136, 137, 138, 139)를 통해 제1 히터전극패턴 내지 제4 히터전극패턴(131, 132, 133, 134)에 서로 다른 전압을 인가할 수 있다. 따라서 제1 가스센싱부 내지 제4 가스센싱부(20, 30, 40, 50)에 사용되는 제1 감지물질 내지 제4 감지물질을 목적에 따라 서로 다른 감지물질로 사용한 경우, 각각의 감지물질이 최적의 감도를 가지기 위한 온도를 가지도록 제1 히터전극패턴 내지 제4 히터전극패턴(131, 132, 133, 134)이 가열되도록 제어할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이(10)는, 상기 제1 감지전극패턴 내지 상기 제4 감지전극패턴(151, 152, 153, 154)의 하면에 위치하되, 상기 제1 가스센싱부 내지 상기 제4 가스센싱부(20, 30, 40, 50)의 상기 제1 히터전극패턴 내지 상기 제4 히터전극패턴(131, 132, 133, 134), 및 상기 공통 마디(120)를 덮는 절연층(140)을 포함하며, 상기 멤브레인층(110)의 둘레에 형성된 제1 히터전극패드 내지 제4 히터전극패드(136, 137, 138, 139), 제1 감지전극패드 내지 제4 감지전극패드(156a, 156b, 157a, 157b, 158a, 158b, 159a, 159b), 및 상기 공통 마디(120)를 상기 멤브레인층(110) 상에 지지하는 영역의 상기 베이스 기판(100)의 두께가 균일하게 유지되도록 캐비티(160)를 형성한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 히터전극패턴 내지 제4 히터전극패턴(131, 132, 133, 134), 제1 히터전극패드 내지 제4 히터전극패드(136, 137, 138, 139), 제1 감지전극패드 내지 제4 감지전극패드(156a, 156b, 157a, 157b, 158a, 158b, 159a, 159b), 공통 히터전극패드(121), 및 공통 마디(120)를 덮도록 절연층(140)이 형성된다. 절연층(140)은 제1 히터전극패턴 내지 제4 히터전극패턴(131, 132, 133, 134)과 제1 감지전극패턴 내지 제4 감지전극패턴(151, 152, 153, 154) 간의 전기적 간섭을 방지한다. 또한, 제1 히터전극패드 내지 제4 히터전극패드(136, 137, 138, 139), 제1 감지전극패드 내지 제4 감지전극패드(156a, 156b, 157a, 157b, 158a, 158b, 159a, 159b), 및 공통 히터전극패드(121)는 일부 영역들이 외부와의 전기적 연결을 위한 와이어 본딩을 위해 노출되도록 절연층(140)의 일부는 식각될 수 있다. 이러한 절연층(140)의 일부 식각을 위해 반응성 이온 식각(reactive ion etching; RIE) 기술이 사용될 수 있다.
또한, 도 2를 참조하면, 제1 히터전극패드 내지 제4 히터전극패드(136, 137, 138, 139), 제1 감지전극패드 내지 제4 감지전극패드(156a, 156b, 157a, 157b, 158a, 158b, 159a, 159b), 공통 마디(120), 및 공통 히터전극패드(121)를 멤브레인층(110)과 베이스 기판(100)이 지지하도록 베이스 기판(100)의 두께를 균일하게 하기 위해 캐비티(160)를 형성한다. 베이스 기판(100)의 일부 영역을 식각함으로써 제1 히터전극패턴 내지 제4 히터전극패턴(131, 132, 133, 134)에서 발생하는 열에너지가 주변 구조물로 전달되는 것을 최소화할 수 있다. 한편, 제1 히터전극패턴 내지 제4 히터전극패턴(131, 132, 133, 134)에서 발생한 열에너지는 절연층(140)을 통해 각각 제1 감지전극패턴 내지 제4 감지전극패턴(151, 152, 153, 154), 및 제1 감지물질 내지 제4 감지물질에 전달된다.
도 3은 종래의 식각기술에 따른 마이크로 가스센서 어레이(10)의 평면도이고, 도 4는 종래의 식각기술에 따른 마이크로 가스센서 어레이(10)의 단면도이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 종래에는 습식 식각(wet etching) 기술을 사용하여 마이크로 가스센서의 베이스 기판(100)에 캐비티(160)를 형성하였다. 습식 식각 기술을 이용하여 캐비티(160)를 형성하는 경우 미세패턴가공이 어렵고 등방성 식각이기 때문에 멤브레인층(110)이 넓게 형성되어야 멤브레인층(110)의 상면에 위치한 패드들을 지지할 수 있었다. 이에 본 발명은 건식 식각(dry etching) 기술을 사용하여 이방성 식각으로 캐비티(160)를 형성함으로써, 멤브레인층(110)의 둘레에 형성된 제1 히터전극패드 내지 제4 히터전극패드(136, 137, 138, 139), 제1 감지전극패드 내지 제4 감지전극패드(156a, 156b, 157a, 157b, 158a, 158b, 159a, 159b), 및 공통 마디(120)를 멤브레인층(110) 상에 지지하는 영역의 베이스 기판(100)의 두께가 균일하게 유지되도록 할 수 있다. 따라서, 베이스 기판(100)이 멤브레인층(110)과 인접한 부분에서 베이스 기판(100)의 깨짐을 방지할 수 있고, 제거되는 베이스 기판(100)의 면적이 감소함으로써 전체 마이크로 가스센서 어레이(10)를 소형화하는 이점이 있다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이(10) 제조방법을 상세히 설명한다.
본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이(10) 제조방법은, 베이스 기판(100)의 상면에 멤브레인층(110)을 형성하는 단계, 상기 베이스 기판(100)의 상기 멤브레인층(110)의 상면 중앙부를 중심으로 십자 모양의 공통 마디(120), 상기 공통 마디(120)의 중심을 기준으로 제1 사분면 영역에 제1 히터전극패턴(131), 상기 공통 마디(120)의 중심을 기준으로 제2 사분면 영역에 제2 히터전극패턴(132), 상기 공통 마디(120)의 중심을 기준으로 제3 사분면 영역에 제3 히터전극패턴(133), 상기 공통 마디(120)의 중심을 기준으로 제4 사분면 영역에 제4 히터전극패턴(134), 상기 제1 히터전극패턴 내지 상기 제4 히터전극패턴(131, 132, 133, 134) 각각의 타단이 전기적으로 연결된 제1 히터전극패드 내지 제4 히터전극패드(136, 137, 138, 139), 및 제1 감지전극패드 내지 제4 감지전극패드(156a, 156b, 157a, 157b, 158a, 158b, 159a, 159b)를 동시에 형성하는 단계를 포함한다.
도 5 내지 도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이(10) 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도 및 공정 평면도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 최초 베이스 기판(100)을 준비하고 베이스 기판(100)의 상면에 전체적으로 멤브레인층(110)을 형성한다. 멤브레인층(110)은 베이스 기판(100)의 상면에 1 ~ 2 ㎛ 두께의 이산화규소(SiO2), 또는 질화규소(Si3N4) 박막의 형태로 저압화학기상증착(low pressure chemical vapor deposition : LPCVD) 또는 스퍼터링 증착(sputtering deposition)을 사용하여 증착될 수 있다. 멤브레인층(110)은 멤브레인층(110)의 상면에 형성되는 마이크로 가스센서 어레이(10)의 구성요소들을 지지하는 역할을 한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 형성된 멤브레인층(110)의 상면 중앙부를 중심으로 십자 모양으로 공통 마디(120)가 형성되고, 공통 마디(120)의 중심을 기준으로 제1 사분면 영역에는 제1 히터전극패턴(131)과 제1 히터전극패드(136)가, 제2 사분면 영역에는 제2 히터전극패턴(132)과 제2 히터전극패드(137)가, 제3 사분면 영역에는 제3 히터전극패턴(133)과 제3 히터전극패드(138)가, 그리고 제4 사분면 영역에는 제4 히터전극패턴(134)과 제4 히터전극패드(139)를 각각 형성한다. 또한, 공통 마디(120)의 중심을 기준으로 제1 사분면 영역에는 제1 감지전극패드(156a, 156b)가, 제2 사분면 영역에는 제2 감지전극패드(157a, 157b)가, 제3 사분면 영역에는 제3 감지전극패드(158a, 158b)가, 그리고 제4 사분면 영역에는 제4 감지전극패드(159a, 159b)를 각각 형성한다. 또한, 공통 마디(120)의 각 십자의 말단부에는 공통 히터전극패드(121)가 형성된다.
이러한 공통 마디(120), 제1 히터전극패턴 내지 제4 히터전극패턴(131, 132, 133, 134), 제1 히터전극패드 내지 제4 히터전극패드(136, 137, 138, 139), 및 제1 감지전극패드 내지 제4 감지전극패드(156a, 156b, 157a, 157b, 158a, 158b, 159a, 159b)는 동시에 형성된다. 이러한 패턴들과 패드들, 및 공통 마디(120)를 동시에 형성함으로써 제조 공정을 단순화하고 공정 시간을 단축시키는 이점이 있다. 또한, 멤브레인층(110)의 둘레를 따라 제1 히터전극패드 내지 제4 히터전극패드(136, 137, 138, 139), 제1 감지전극패드 내지 제4 감지전극패드(156a, 156b, 157a, 157b, 158a, 158b, 159a, 159b), 및 공통 히터전극패드(121)를 형성함으로써 외부로 전기적으로 연결되도록 와이어 본딩할 때 그 연결 구조를 간소화하는 이점이 있다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 공통 마디(120), 공통 히터전극패드(121), 제1 히터전극패턴 내지 제4 히터전극패턴(131, 132, 133, 134), 제1 히터전극패드 내지 제4 히터전극패드(136, 137, 138, 139), 및 제1 감지전극패드 내지 제4 감지전극패드(156a, 156b, 157a, 157b, 158a, 158b, 159a, 159b)를 덮도록 그 상면에 절연층(140)을 형성한다. 절연층(140)은 공통 마디(120), 공통 히터전극패드(121), 제1 히터전극패드 내지 제4 히터전극패드(136, 137, 138, 139), 및 제1 감지전극패드 내지 제4 감지전극패드(156a, 156b, 157a, 157b, 158a, 158b, 159a, 159b) 간의 전기적 간섭을 방지하며, 제1 감지전극패턴 내지 제4 감지전극패턴(151, 152, 153, 154)이 제1 히터전극패턴 내지 제4 히터전극패턴(131, 132, 133, 134)에 직접적으로 접촉하는 것 또한 방지한다. 한편, 공통 히터전극패드(121), 제1 히터전극패드 내지 제4 히터전극패드(136, 137, 138, 139), 및 제1 감지전극패드 내지 제4 감지전극패드(156a, 156b, 157a, 157b, 158a, 158b, 159a, 159b)가 외부와 전기적으로 연결되도록 와이어 본딩하기 위해, 패드들의 일부분이 노출되도록 절연층(140)의 일부를 식각할 수 있다. 절연층(140)을 식각하기 위해 반응성 이온 식각(reactive ion etching; RIE) 기술이 사용될 수 있다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 절연층(140)이 형성된 후, 공통 마디(120)의 중심을 기준으로 제1 사분면에 제1 감지전극패턴(151), 제2 사분면에 제2 감지전극패턴(152), 제3 사분면에 제3 감지전극패턴(153), 그리고 제4 사분면에 제4 감지전극패턴(154)이 각각 형성된다. 제1 감지전극패턴 내지 제4 감지전극패턴(151, 152, 153, 154)은 각각 그 양단이 제1 감지전극패드 내지 제4 감지전극패드(156a, 156b, 157a, 157b, 158a, 158b, 159a, 159b)에 전기적으로 연결된다. 또한, 제1 감지전극패턴 내지 제4 감지전극패턴(151, 152, 153, 154)의 상면에는 전기적으로 연결되도록 각각 제1 감지물질 내지 제4 감지물질이 형성된다. 감지물질의 표면이 가스와 반응하면 감지물질의 전기전도도가 변화하는데, 이러한 변화를 감지전극패턴이 감지함으로써 가스의 존재 여부를 검출할 수 있다.
감지물질의 종류는 검출하고자 하는 가스의 종류 및 검출 목적에 따라 다양할 수 있으나, 산화주석(SnO2), 산화티타늄(TiO2), 산화텅스텐(WO3), 산화아연(ZnO) 등의 금속산화물들이 기본적인 감지물질로서 사용될 수 있다. 한편, 제1 감지물질 내지 제4 감지물질은 동일한 물질일 수도 있고, 서로 다른 물질일 수도 있다. 동일한 감지물질을 사용하는 경우, 검출하고자 하는 가스의 선택도를 높일 수 있으며, 서로 다른 감지물질을 사용하는 경우, 하나의 어레이를 사용하여 다양한 가스를 동시에 검출할 수 있는 이점이 있다.
한편, 공통 히터전극패드(121), 제1 히터전극패드 내지 제4 히터전극패드(136, 137, 138, 139), 제1 감지전극패드 내지 제4 감지전극패드(156a, 156b, 157a, 157b, 158a, 158b, 159a, 159b)가 외부와 전기적으로 연결될 수 있도록 와이어 본딩하기 위해 절연층(140)의 일부분이 식각된 경우, 노출된 패드들의 표면을 보호하되 외부와의 전기적 연결을 위해 범프층(170)을 형성할 수 있다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 멤브레인층(110)을 형성하는 단계 이후에 공통 마디(120), 멤브레인층(110)의 둘레에 형성된 공통 히터전극패드(121), 제1 히터전극패드 내지 제4 히터전극패드(136, 137, 138, 139), 및 제1 감지전극패드 내지 제4 감지전극패드(156a, 156b, 157a, 157b, 158a, 158b, 159a, 159b)를 멤브레인층(110) 상에 지지하는 영역의 베이스 기판(100)의 두께가 균일하게 유지되도록 캐비티(160)를 형성한다. 캐비티(160)를 형성하기 위해 건식 식각(dry etching) 기술을 이용한다. 건식 식각 기술을 사용하여 이방성 식각으로 캐비티(160)를 형성함으로써, 멤브레인층(110)의 둘레에 형성된 제1 히터전극패드 내지 제4 히터전극패드(136, 137, 138, 139), 제1 감지전극패드 내지 제4 감지전극패드(156a, 156b, 157a, 157b, 158a, 158b, 159a, 159b), 및 공통 마디(120)를 멤브레인층(110) 상에 지지하는 영역의 베이스 기판(100)의 두께가 균일하게 유지되도록 할 수 있다. 따라서, 베이스 기판(100)이 멤브레인층(110)과 인접한 부분에서 베이스 기판(100)의 깨짐을 방지할 수 있고, 제거되는 베이스 기판(100)의 면적이 감소함으로써 전체 마이크로 가스센서 어레이(10)를 소형화하는 이점이 있다.
한편, 도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 가스센서 어레이의 평면도이다. 도 15를 참조하면, 베이스 기판의 하면을 식각할 때 직사각형의 형태로 식각하는 기존의 식각 방식과는 달리, 원형의 형태로 식각한 방식을 사용한다. 멤브레인층이 노출되는 단면 모서리 부분은 외부 충격 또는 히터전극패턴의 가열에 의해 팽창 또는 수축할 수 있다. 이 때, 베이스 기판과 멤브레인층의 물성 차이에 따른 응력이 발생할 수 있는데, 멤브레인층이 캐비티에 의해 노출되는 부분이 원형으로 형성되면 멤브레인층이 노출되는 단면 모서리 부분에 응력 집중(stress conctentration)이 완화되므로 마이크로 가스센서 어레이의 기계적 신뢰성을 향상시키는 이점이 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 마이크로 가스센서 어레이 및 그 제조방법은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
10 : 마이크로 가스센서 어레이
20 : 제1 가스센싱부
30 : 제2 가스센싱부
40 : 제3 가스센싱부
50 : 제4 가스센싱부
100 : 베이스 기판 110 : 멤브레인층
120 : 공통 마디 121 : 공통 히터전극패드
131 : 제1 히터전극패턴 132 : 제2 히터전극패턴
133 : 제3 히터전극패턴 134 : 제4 히터전극패턴
136 : 제1 히터전극패드 137 : 제2 히터전극패드
138 : 제3 히터전극패드 139 : 제4 히터전극패드
140 : 절연층
151 : 제1 감지전극패턴 152 : 제2 감지전극패턴
153 : 제3 감지전극패턴 154 : 제4 감지전극패턴
156a, 156b : 제1 감지전극패드
157a, 157b : 제2 감지전극패드
158a, 158b : 제3 감지전극패드
159a, 159b : 제4 감지전극패드
160 : 캐비티(cavity)
170 : 범프층

Claims (4)

  1. 멤브레인층이 상면에 형성된 베이스 기판;
    상기 베이스 기판의 상기 멤브레인층의 상면 중앙부를 중심으로 십자 모양으로 형성된 공통 마디;
    상기 공통 마디의 중심을 기준으로 제1 사분면 영역에 형성되고 상기 공통 마디와 일단이 전기적으로 연결된 제1 히터전극패턴, 상기 제1 히터전극패턴과 절연되되 상기 제1 히터전극패턴의 상면에 형성된 제1 감지전극패턴, 및 상기 제1 감지전극패턴의 상면에 상기 제1 감지전극패턴과 전기적으로 연결되도록 형성된 제1 감지물질을 포함하는 제1 가스센싱부;
    상기 공통 마디의 중심을 기준으로 제2 사분면 영역에 형성되고 상기 공통 마디와 일단이 전기적으로 연결된 제2 히터전극패턴, 상기 제2 히터전극패턴과 절연되되 상기 제2 히터전극패턴의 상면에 형성된 제2 감지전극패턴, 및 상기 제2 감지전극패턴의 상면에 상기 제2 감지전극패턴과 전기적으로 연결되도록 형성된 제2 감지물질을 포함하는 제2 가스센싱부;
    상기 공통 마디의 중심을 기준으로 제3 사분면 영역에 형성되고 상기 공통 마디와 일단이 전기적으로 연결된 제3 히터전극패턴, 상기 제3 히터전극패턴과 절연되되 상기 제3 히터전극패턴의 상면에 형성된 제3 감지전극패턴, 및 상기 제3 감지전극패턴의 상면에 상기 제3 감지전극패턴과 전기적으로 연결되도록 형성된 제3 감지물질을 포함하는 제3 가스센싱부;
    상기 공통 마디의 중심을 기준으로 제4 사분면 영역에 형성되고 상기 공통 마디와 일단이 전기적으로 연결된 제4 히터전극패턴, 상기 제4 히터전극패턴과 절연되되 상기 제4 히터전극패턴의 상면에 형성된 제4 감지전극패턴, 및 상기 제4 감지전극패턴의 상면에 상기 제4 감지전극패턴과 전기적으로 연결되도록 형성된 제4 감지물질을 포함하는 제4 가스센싱부;
    상기 제1 감지전극패턴 내지 상기 제4 감지전극패턴의 하면에 위치하되, 상기 제1 가스센싱부 내지 상기 제4 가스센싱부의 상기 제1 히터전극패턴 내지 상기 제4 히터전극패턴, 및 상기 공통 마디를 덮는 절연층; 및
    상기 멤브레인층의 둘레에 형성된 제1 히터전극패드 내지 제4 히터전극패드, 제1 감지전극패드 내지 제4 감지전극패드, 및 상기 공통 마디를 상기 멤브레인층 상에 지지하는 영역의 상기 베이스 기판의 두께가 균일하게 유지되고, 상기 제1 히터전극패턴 내지 제4 히터전극패턴을 지지하는 멤브레인층의 하부가 노출되도록, 상기 베이스 기판의 하면의 일부가 건식 식각되어 형성된 캐비티를 포함하며,
    상기 공통 마디는 상기 제1 히터전극패턴 내지 상기 제4 히터전극패턴과 전기적으로 연결되어 그라운드로서 기능하는 마이크로 가스센서 어레이.
  2. 삭제
  3. (A) 베이스 기판의 상면에 멤브레인층을 형성하는 단계;
    (B) 상기 베이스 기판의 상기 멤브레인층의 상면 중앙부를 중심으로 십자 모양의 공통 마디, 상기 공통 마디의 중심을 기준으로 제1 사분면 영역에 제1 히터전극패턴, 상기 공통 마디의 중심을 기준으로 제2 사분면 영역에 제2 히터전극패턴, 상기 공통 마디의 중심을 기준으로 제3 사분면 영역에 제3 히터전극패턴, 상기 공통 마디의 중심을 기준으로 제4 사분면 영역에 제4 히터전극패턴, 상기 제1 히터전극패턴 내지 상기 제4 히터전극패턴 각각의 타단이 전기적으로 연결된 제1 히터전극패드 내지 제4 히터전극패드, 및 제1 감지전극패드 내지 제4 감지전극패드를 동시에 형성하는 단계;
    (C) 상기 제1 히터전극패턴 내지 상기 제4 히터전극패턴, 및 상기 공통 마디를 덮도록 상기 제1 히터전극패턴 내지 상기 제4 히터전극패턴, 및 상기 공통 마디의 상면에 절연층을 형성하는 단계;
    (D) 상기 제1 히터전극패턴 내지 상기 제4 히터전극패턴의 상면에 각각 제1 감지전극패턴 내지 제4 감지전극패턴을 형성함과 동시에, 상기 제1 감지전극패턴 내지 상기 제4 감지전극패턴의 양단에 각각 전기적으로 연결하는 단계;
    (E) 상기 제1 감지전극패턴 내지 상기 제4 감지전극패턴의 상면에 상기 제1 감지전극패턴 내지 상기 제4 감지전극패턴과 전기적으로 연결되도록 감지물질을 형성하는 단계; 및
    (F) 상기 멤브레인층의 둘레에 형성된 제1 히터전극패드 내지 제4 히터전극패드, 상기 제1 감지전극패드 내지 상기 제4 감지전극패드, 및 상기 공통 마디를 상기 멤브레인층 상에 지지하는 영역의 상기 베이스 기판의 두께가 균일하게 유지되고, 상기 제1 히터전극패턴 내지 제4 히터전극패턴을 지지하는 멤브레인층의 하부가 노출되도록, 상기 베이스 기판의 하면의 일부를 건식 식각하여 캐비티를 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 캐비티는 상기 멤브레인층이 노출되는 단면이 원형이 되도록 형성되는, 마이크로 가스센서 어레이 제조방법.
  4. 삭제
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