KR102428905B1 - 차단층을 구비하는 일체형 온습도 복합센서 및 그 제조방법 - Google Patents

차단층을 구비하는 일체형 온습도 복합센서 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차단층을 구비하는 온습도 복합센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 동일한 기판 상에 금속 박막 형태로 형성되는 온도센서 전극과 IDT 구조로 형성되는 정전용량형 습도센서 전극이 일체형으로 형성됨과 동시에 습도센서 전극 상에 형성되는 수분 흡탈착을 위한 감습층을 포함하고, 종전의 정전용량형 습도센서가 빛에 의하여 정전용량값이 변하는 문제를 해결하기 위해, 빛에 의한 영향을 차단하기 위한 차단층을 구비하는 일체형 온습도 복합센서와 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
보다 구체적으로 본 발명에 대하여 설명하면, 기판; 상기 기판 상에 형성되는 절연층; 상기 절연층 상의 일측에 형성된 온도센서 전극; 상기 온도센서 전극을 커버하면서 절연층의 일부 영역 상에 형성되는 차단층; 상기 온도센서 전극과 전기적으로 연결된 온도센서 패드 전극; 상기 온도센서 전극이 형성된 영역의 타측에 형성하되, 상기 차단층 상에 형성되는 습도센서 전극; 상기 온도센서 전극 및 습도센서 전극을 커버하도록 형성되는 감습층; 및 상기 습도센서 전극과 전기적으로 연결된 습도센서 패드 전극;을 포함하되, 상기 차단층은 폴리머(Polymer)를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 차단층을 구비하는 일체형 온습도 복합센서를 제공한다.

Description

차단층을 구비하는 일체형 온습도 복합센서 및 그 제조방법{ALL-IN-ONE TEMPERATURE HUMIDITY SENSOR INCLUDING BLOCKING LAYER AND METHOD THEREOF}
본 발명은 차단층을 구비하는 온습도 복합센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 동일한 기판 상에 금속 박막 형태로 형성되는 온도센서 전극과 IDT 구조로 형성되는 정전용량형 습도센서 전극이 일체형으로 형성됨과 동시에 습도센서 전극 상에 형성되는 수분 흡탈착을 위한 감습층을 포함하고, 종전의 정전용량형 습도센서가 빛에 의하여 정전용량값이 변하는 문제를 해결하기 위해, 빛에 의한 영향을 차단하기 위한 차단층을 구비하는 일체형 온습도 복합센서와 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
가전제품, 의료기기, 주택, 사무실, 빌딩, 제품생산을 위한 공장, 작물재배를 위한 온실 등 온습도 제어에 대한 필요성은 점점 증대되고 있다.
통상적으로 온도센서와 습도센서는 각각의 별도의 공정을 이용하여 제작되고 판매되고 있는데, 각각의 센서는 별개의 구성품으로 취급되는 것이 일반적이다.
이 때, 온도센서는 반도체 소자의 온도의존성을 이용하는 방법과 온도에 따른 저항변화를 가지는 측온저항체와 그 외 이종금속접점의 열기전력을 이용한 열전대 등이 이용되고 있으며, 습도센서는 전지저항식과 정전용량식이 대부분이고 정밀한 습도측정분야에는 정전용량식이 많이 쓰이고 있다.
도 1에는 종래의 일반적 적층구조로 형성된 정전용량형 습도센서의 입체 사시도가 도시된다.
도면에 도시된 바와 같이, 적층구조로 형성된 정전용량형 습도센서는 반도체 공정 기술을 이용하여 제조되는 일반적인 구성으로서, 기판(10) 상에 박막 공정을 통해 하부전극(11)을 형성하고, 그 위에 수분의 흡탈착을 통해 습도를 감지하기 위한 감습층(12)과 상부전극(13)을 차례로 형성하여 커패시터 형태의 구조를 구성한 후 패드층(14)을 형성하는 특징을 가진다.
그러나 위와 같은 적층구조의 정전용량형 습도센서는 IDT(InterDigiTated) 구조에 비해 공정이 복잡하고 공정 비용이 과다한 단점을 가진다. 또한, 1 ~ 1.2㎛ 두께를 가지는 감습층(12)으로 인해 상부전극(13)의 형성 시 감습막 경계면에서 또는 상부전극 형성 후 열처리 시 상부전극과 감습층 간의 열 팽창계수의 차이로 인해 전극이 끊어질 수 있는 문제점을 가진다.
한편, 최근에는 사람이 생활하는 환경과 밀접한 관련이 있는 대기의 온습도 정보를 수집하여 쾌적한 실내 또는 사무환경을 조성하기 위해 온습도 센서를 탑재한 소형 복합 센서 시스템의 필요성이 광범위하게 증대되고 있다.
이에 대하여 도 2에 종래의 일체형 온습도 센서의 평면도가 도시된다.
도면에 도시된 일체형 온습도 센서는 기판(10) 상에 제1도전체(21)와 제2도전체(22) 사이에 제3도전체(23) 패턴을 형성한 후 상기 패턴과 기판 위에 감지막(30)을 형성한 구조이며, 각 도전체의 양쪽 끝에는 패드(40)가 형성되어 있는 구조이다.
위와 같은 구조를 가지는 일체형 온습도 센서는 제1도전체(21)와 제2도전체(22)를 연결한 하나의 전극과 제3도전체(23) 양 끝을 연결한 하나의 전극 사이의 용량 변화를 통해 상대습도를 측정하며, 온도의 변화는 제3도전체의 양쪽 끝 사이의 저항변화를 감지하여 측정한다.
그러나 이러한 일체형 온습도 센서는 제1도전체(21)와 제2도전체(22) 사이에 제3도전체(23)를 동시에 패턴을 형성할 시 동일한 금속을 사용해야 하므로 박막을 위한 적용 금속에 한계가 있는 문제가 있다.
뿐만 아니라, 종래의 온도센서와 습도센서를 일체형으로 구성하는 방식은 별도의 패키지를 필요로 하기 때문에 비용적인 부담이 크고, 크기가 증가될 뿐만 아니라 일체화된 센서의 부착위치에 제약을 받는 문제점 또한 가지고 있는 실정이다.
한편, 도 12 내지 도 13은 종래 기술에 의해 제조된 정전용량형 습도센서에 대한 것으로 일정한 온도 및 습도 환경에서 조도변화에 따른 정전용량값 변화 그래프를 보여주고 있다.
종래의 정전용량형 습도센서에 의한 경우, 일정한 온/습도(25℃, 50%RH)를 유지한 챔버 안에 습도센서를 삽입한 후 조도 변화에 따른 정전용량값 변화를 측정한 결과 조도 변화에 따라 정전용량값이 변하는 문제를 보였으며, 이는 센서의 손실율이 안정적이지 못하고 변화폭이 크게 나타남을 의미하는 것으로 전수검사를 수행하는 센서의 특성 상 동일한 온도/습도 환경에서 조도변화에 따른 용량값, 즉 습도값의 변화는 적용환경에 따라서는 50%RH 환경임에도 불구하고 조도의 변화(예: 형광등 On/Off 전환 등)에 따라 고습(80%RH) 또는 저습(30%RH)상태라고 인식하여 연동되는 장비들의 가동 등 알 수 없는 현상으로 습도센서에 대한 성능과 신뢰성에 심각한 문제를 야기할 수 있다.
따라서, 정전용량형 습도센서에 있어서, 빛의 조도 변화로 인해 발생하는 정전용량값 오차(Error)를 해결하기 위한 구조와 제조방식이 요구되고 있으며, 위와 같은 문제점들을 한꺼번에 극복할 수 있는 개선된 일체형 온습도 센서가 필요하다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 온도센서와 습도센서가 일체형으로 형성된 온습도 복합센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 기존 센서들의 한계를 극복하기 위해 온도센서를 금속 박막 형태로, 습도센서를 IDT 구조로 동일 기판 상에 형성함으로써 기존 적층형 구조의 패드전극이 끊어지는 문제를 해결함과 함께 습도센서 크기를 줄이고, 제조 공정을 단순화하여 수율을 높이고 생산 원가를 절감할 수 있는 소형의 고성능 온습도 복합센서를 구현하는데 또 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 기판의 절연층과 습도센서 전극사이에 빛으로 인한 영향을 차단하는 차단층을 구비함으로써, 습도센서가 빛의 조도변화에 따른 정전용량값 오차(Error)를 제거하고, 기생 커패시턴스 영향과 습도변화에 따른 손실률(Loss Coefficient) 변화를 최소화함으로써, 환경 변화에 따른 측정 오차 발생을 방지하고, 센싱 성능이 우수한 고성능 온습도 복합센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의하면, 기판; 상기 기판 상에 형성되는 절연층; 상기 절연층 상의 일측에 형성된 온도센서 전극; 상기 온도센서 전극을 커버하면서 절연층의 일부 영역 상에 형성되는 차단층; 상기 온도센서 전극과 전기적으로 연결된 온도센서 패드 전극; 상기 온도센서 전극이 형성된 영역의 타측에 형성하되, 상기 차단층 상에 형성되는 습도센서 전극; 상기 온도센서 전극 및 습도센서 전극을 커버하도록 형성되는 감습층; 및 상기 습도센서 전극과 전기적으로 연결된 습도센서 패드 전극;을 포함하되, 상기 차단층은 폴리머(Polymer)를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 차단층을 구비하는 일체형 온습도 복합센서를 제공한다.
본 발명에서 상기 차단층은 폴리이미드(Polyimid)를 이용하여 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 온도센서 전극 및 습도센서 전극은, 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 백금(Pt) 또는 금(Au) 중 어느 하나의 금속을 이용하여 박막 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 습도센서 전극은 IDT(InterDigiTated) 구조로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 감습층은 열경화성 폴리이미드(Polyimid) 또는 그래핀 옥사이드(Graphene Oxide)로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 절연층은 이산화규소(SiO2) 또는 질화규소(Si3N4) 중 어느 하나 이상의 물질이 2,000 ~ 10,000Å 두께로 상기 기판에 적층됨으로써 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 기판의 하부면에도 별도의 절연층이 추가로 형성되는 것이 바람직하다.
상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 타측면에 의하면, 기판 상에 절연층을 형성하는 단계; 상기 절연층의 일측에 온도센서 전극을 형성하는 단계; 상기 절연층의 일부 영역 상에 상기 온도센서 전극을 커버하되, 폴리머(Polymer)를 이용하여 차단층을 형성하는 단계; 상기 차단층 상에 IDT 구조의 습도센서 전극, 습도센서 패드전극 및 온도센서 패드전극을 형성하는 단계; 및 상기 온도센서 전극 및 습도센서 전극을 커버하는 감습층을 형성하는 단계; 를 포함하는 차단층을 구비하는 일체형 온습도 복합센서 제조방법을 제공한다.
본 발명에서 상기 절연층을 형성하는 단계는, 반도체 공정으로 2,000 ~ 10,000Å 두께의 산화막 또는 질화막을 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 차단층 형성단계는, 상기 절연층 상에 폴리이미드(Polyimid) 용액을 도포하는 단계; 핫플레이트(Hot Plate)를 이용하여 140℃ ~ 150℃에서 180초 ~ 300초 동안 선행 열처리하거나, 또는 오븐(Oven)을 이용하여 140℃ ~ 150℃에서 10분 ~ 20분 동안 선행 열처리하는 단계; 및 열처리 장비를 이용하여 질소 분위기에서 300℃ 내지 400℃ 에서 50분 ~ 70분 동안 열처리를 수행하는 단계; 를 포함하는 거이 바람직하다.
본 발명에서 상기 온도센서 전극을 형성하는 단계는, 식각 공정으로 온도센서 전극을 패터닝(Patterning)하는 단계; 및 패터닝된 온도센서 전극 상에 측온저항체 금속 박막을 형성하는 단계; 를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 IDT 구조의 습도센서 전극을 형성하는 단계는, 식각 공정으로 습도센서 전극, 습도센서 패드 전극 및 온도센서 패드 전극을 패터닝하는 단계; 및 반도체 증착 방법을 이용하여 1 ~ 2㎛ 두께로 습도센서 전극, 습도센서 패드 전극 및 온도센서 패드 전극을 동시에 형성하는 단계; 를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 감습층을 형성하는 단계는, 상기 온도센서 전극 및 습도센서 전극이 형성되어 있는 영역 상에 폴리이미드(Polyimid)를 코팅하는 단계; 핫플레이트(Hot Plate)를 이용하여 140℃ ~ 150℃에서 180초 ~ 300초 동안 선행 열처리하거나, 또는 오븐(Oven)을 이용하여 140℃ ~ 150℃에서 10분 ~ 20분 동안 선행 열처리하는 단계; 및 열처리 장비를 이용하여 질소 분위기에서 300℃ 내지 400℃ 에서 50분 ~ 70분 동안 열처리를 수행하는 단계; 를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은 온도센서와 습도센서가 일체형으로 형성된 온습도 복합센서를 제공하여 사용자 또는 적용기기가 보다 손쉽게 온도 및 습도를 파악할 수 있는 효과가 있다.
아울러 본 발명은 종래의 정전용량형 습도센서의 문제점을 해결하기 위한 IDT 구조의 습도센서와 기존의 반도체 온도센서의 한계를 극복하기 위한 금속 박막 온도센서를 동일 기판 상에 적용함으로써 소형 및 고성능의 온습도 복합센서를 적은 비용으로 구현할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 빗살구조(IDT: Interdigitated)의 습도센서 전극을 채택함으로써, 습도센서 형성 시 센서의 크기를 줄이고, 습도센서 전극과 패드 전극을 단일 공정으로 형성함으로써, 종래의 적층형 구조에 비해 공정을 단순화하여 제조 비용 저감, 수율 증가와 함께 대량 생산이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 실리콘 기판의 절연층과 습도센서 전극 사이에 차단층을 형성함으로써, 빛에 따른 용량값 변화를 제거하고, 습도변화에 따른 손실률을 안정화시킴으로써 센싱 성능이 향상되는 효과가 있다.
종래 기술에 의한 정전용량형 습도센서는 그 대량생산 및 양산화를 위해서는 습도조절을 위해 빛에 의한 영향을 고려한 챔버 및 측정 시스템을 구축해야만 우수한 센싱 성능을 얻을 수 있었는데, 본 발명에 의하면, 차단층 형성을 통해 습도센서를 제조함으로써, 대량생산을 위한 센서 측정 및 보정(Calibration)을 위하여 빛에 의한 영향을 고려한 챔버 및 측정 시스템을 구축할 필요가 없어 궁극적으로는 제조 시 생산 원가를 현저히 절감하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 일반적 적층구조로 형성된 정전용량형 습도센서의 입체 사시도.
도 2는 종래의 일체형 온습도 센서의 평면도.
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 일체형 온습도 복합센서의 평면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 습도센서 전극의 확대도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 IDT 구조 설명을 위한 예시도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 일체형 온습도 복합센서 제조방법의 순서도.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 절연층 형성 모습을 나타낸 예시도.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 온도센서 전극 형성 모습을 나타낸 예시도.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 실시예에 따른 차단층 형성 모습을 나타낸 예시도.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 실시예에 따른 습도센서 전극, 습도센서 패드전극 및 온도센서 패드전극 형성 모습을 나타낸 예시도.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 실시예에 따른 감습층 형성 모습을 나타낸 예시도.
도 12는 종래기술에 의한 적층형 습도센서의 빛의 조도 변화에 따른 정전용량값 변화 그래프.
도 13은 종래기술에 의한 IDT구조 습도센서의 빛의 조도 변화에 따른 정전용량값 변화 그래프.
도 14는 본 발명의 실시예에 의한 일체형 온습도 복합센서의 빛의 조도 변화에 따른 정전용량값 변화 그래프.
도 15는 본 발명의 실시예에 의한 일체형 온습도 복합센서의 상대습도 변화에 따른 특성 그래프.
도 16은 본 발명의 실시예에 의한 일체형 온습도 복합센서의 응답에 대한 반응속도 그래프.
도 17은 본 발명의 실시예에 의한 일체형 온습도 복합센서의 온도 변화에 따른 특성 그래프.
도 18은 본 발명의 실시예에 의한 일체형 온습도 복합센서의 응답에 대한 반응속도 그래프.
도 19는 본 발명의 실시예에 의한 일체형 온습도 복합센서의 광학현미경 이미지.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
종래의 정전용량형 습도센서의 문제점을 해결하고 기존의 반도체 온도센서의 한계를 극복하기 위한 본 발명은 기판(500); 상기 기판 상에 형성되는 절연층(510); 상기 절연층 상의 일측에 형성된 온도센서 전극(520); 상기 온도센서 전극을 커버하면서 절연층의 일부 영역 상에 형성되는 차단층(530); 상기 온도센서 전극과 전기적으로 연결된 온도센서 패드 전극(560); 상기 온도센서 전극이 형성된 영역의 타측에 형성하되, 상기 차단층 상에 형성되는 습도센서 전극(540); 상기 온도센서 전극 및 습도센서 전극을 커버하도록 형성되는 감습층(530); 및 상기 습도센서 전극과 전기적으로 연결된 습도센서 패드 전극(570);을 포함하여 구성되는 일체형 온습도 복합센서를 제공함으로써 소형 및 고성능의 온습도 복합센서를 적은 비용으로 구현하고자 한다.
본 발명에 대한 이해를 돕기 위해, 도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 일체형 온습도 복합센서의 평면도가 도시되고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 습도센서 전극의 확대도가 도시된다. 도면들을 참조하여 본 발명 구성들을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명의 기판(500)은 온도센서 전극(520), 습도센서 전극(540), 온도센서 패드 전극(560), 습도센서 패드 전극(570), 차단층(530) 및 감습층(550)이 형성되기 위한 전기회로가 편성되어 있는 본체와 같은 구성으로서, 상부면에 절연층(510)이 형성되는 특징을 가진다. 상기 절연층(510)은 발명의 필요에 따라 기판(500)의 하부면에도 추가적으로 형성될 수 있다.
상기 절연층(510)이란 전기 또는 열을 통하지 않도록 절연소재를 이용하여 만들어진 별도의 층을 의미하는데, 본 발명에서 상기 절연층은 이산화규소(SiO2) 또는 질화규소(Si3N4) 중 어느 하나 이상의 물질이 상기 기판에 적층됨으로써 형성되는 산화막이나 질화막에 해당될 수 있다.
이 때, 상기 절연층(510)은 2,000 ~ 10,000Å 사이 범위의 두께로 형성될 수 있으며, 발명의 필요에 따라 산화막이나 질화막 대신 폴리이미드(Polyimid)를 코팅한 후 열경화 과정을 통해 형성되는 층을 절연층(510)으로 이용할 수도 있을 것이다.
이러한 상기 기판(500)은 반도체 소자나 집적회로(IC)를 만들기 위한 실리콘 기판 또는 실리콘 박판인 것이 바람직하며, 동일한 기능을 수행할 수 있는 다른 소재의 기판에 해당할 수도 있음은 물론이다.
그리고 본 발명은 상기 절연층(510)상의 일측에 형성되는 온도센서 전극(520)을 더 포함한다.
상기 온도센서 전극(520)은 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 백금(Pt) 또는 금(Au) 중 어느 하나의 금속을 이용하여 박막 형태로 형성되는데, 만약 온도센서 전극이 백금을 이용하여 형성되는 경우에는 반도체 공정 중 스퍼터링(Sputtering) 방식을 이용하여 4,000 ~ 10,000Å 정도의 두께를 증착한 후 고온 열처리 공정을 선행하여 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 스퍼터링 방식이란 진공증착법의 일종으로 비교적 낮은 진공도에서 플라즈마를 발생시켜 이온화한 아르곤 등의 가스를 가속하여 타겟에 충돌시킴으로써 목적의 원자를 분출시키고, 그 근방에 있는 기판 상에 막을 만드는 방법을 말한다. 이러한 방식은 센서의 제조수단으로 널리 이용되고 있으며, 그 종류로는 직류 스퍼터링, 고주파 스퍼터링, 이온빔 스퍼터링, 이온 플레이팅 등이 있다.
본 발명은 상기 온도센서 전극을 커버하면서 절연층의 일부 영역 상에 형성되는 차단층(530)을 포함한다.
본 발명에서 상기 온도센서 전극(520)이 형성되면, 차단층(530) 형성을 위해 폴리머 용액을 절연층(510) 상에 1 ~ 3㎛ 두께로 스핀코팅하여 도포한다.
상기 차단층(530) 형성을 위한 폴리머 용액으로는 폴리이미드 용액을 사용하는 것이 바람직하며, 발명의 필요에 따라 상기 절연층(510) 상에 접착력을 강화하기 위한 접착력 강화 물질을 코팅한 후 폴리머 또는 폴리이미드를 도포하여 형성하는 것이 바람직하다.
상기 차단층(530)은 발명의 필요에 따라 Poly(pyromellitic dianhydride - co-4, 4'-oxydianiline), amic acid solution　용액을 NMP(메탈피롤리돈)와 1대1 또는 1대2 비율로 합성한 후 교반하여 적용할 수도 있을 것이다. 상기 접착력 강화 물질은 HMDS 계열의 용액을 이용할 수 있으며 100 Å ~ 500 Å 두께로 증착할 수 있을 것이다.
상기 차단층(530)의 두께는, 후 공정인 습도센서 전극(540) 형성 시 그 금속 박막 형성이 용이하도록 0.01 ㎛ ~ 0.4 ㎛ 로 형성하는 것이 바람직하다.
이와 같이 본 발명은 절연층(510)과 습도센서 전극(540)사이에 빛으로 인한 영향을 차단하는 차단층(530)을 구비함으로써, 습도센서가 빛의 조도변화에 따른 정전용량값 오차(Error)를 제거할 수 있으며, 더 나아가 기생 커패시턴스 영향과 습도변화에 따른 손실률(Loss Coefficient) 변화를 최소화함으로써, 측정 오차 발생을 방지하고, 센싱 성능의 우수성을 담보할 수 있게 된다.
한편, 본 발명은 상기 온도센서 전극(520)이 형성된 영역의 타측에 형성하되, 상기 차단층(530) 상에 형성되는 습도센서 전극(540)을 포함하는데, 본 구성은 온습도 복합센서에서 습도를 감지하기 위한 역할을 위함이다.
상기 습도센서 전극(540)은 하부전극과 상부전극이 동시에 제조되는 IDT(InterDigiTated) 구조로 형성된 정전용량형 습도센서인 것을 주된 특징으로 한다.
도 5에는 본 발명의 실시예에 따른 IDT 구조 설명을 위한 예시도가 도시되며, 도면을 참조하여 IDT 구조를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5에서 보여지는 수식에 의하면, 후술할 감습층(550)의 감습막 두께와 용량값과의 상관관계는, 최대 용량값이 h ≥ Wgap + Wfingers일 때 도달하지만 빠른 응답 특성을 위해서는 감습층의 두께를 최소화해야 하는 과제를 안고 있다.
따라서, 본 발명에서는 박막 두께를 일정하게 유지하고 패턴 폭(도 4c의 a)을 1 ~ 3㎛ 범위로, 패턴 간격(도 4c의 b) 또한 1 ~ 3㎛의 범위로 정한 후 위의 수식을 이용하여 감습층(550)의 두께를 계산하였으며, 이 때 패턴 폭과 패턴 간격 간의 거리를 동일하게 형성하는 것으로 정하였다.
그리고 본 발명은 상기 습도센서 전극(540)을 형성할 때 동시에 형성되는 온도센서 패드 전극(560)과 습도센서 패드 전극(570)을 포함하며, 습도센서 전극(540)은 전술한 바와 같이 빗살 또는 양손의 손가락이 서로 엇갈린 형태인 IDT(Interdigitated) 구조로 형성된다.
이와 같이 상기 습도센서 전극(540)은 전기적인 연결을 위한 습도센서 패드 전극(570)을 일체화하도록 마스크 설계 및 제작을 하여 단위공정 수를 줄여 공정이 단순화 되는 잇점이 있다. 결국 본 발명은 빗살구조(IDT: Interdigitated)의 습도센서 전극을 채택함으로써, 종래의 정전용량형 습도센서에 비해 그 자체의 크기를 줄이고, 습도센서 전극과 패드 전극을 단일 공정으로 형성함으로써, 제조 비용 저감 및 센서 개별 칩의 크기를 소형화하여 대량 생산이 가능한 장점이 있다.
또한, 습도센서 전극(540) 및 온도센서 패드 전극(560), 습도센서 패드 전극(570)의 금속 박막은 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 백금(Pt) 또는 금(Au) 중 어느 하나의 금속을 이용하여 반도체 증착 장비를 이용하여 증착함으로써 박막 형태로 형성될 수 있다.
만약 습도센서 전극(540) 및 온도센서 패드 전극(560), 습도센서 패드 전극(570)을 백금을 이용하여 형성하는 경우에는 E-Beam Evaporator를 이용한 증착방식 또는 스퍼터링(Sputtering) 증착방식을 이용하여 2,000 Å ~ 10,000Å 정도의 두께를 증착한 후 고온 열처리 공정을 선행하여 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 상기 백금은 넓은 온도범위(-200 ~ 850℃)에 걸쳐 안정성, 직선성, 내화학성 등이 우수한 특징이 있다.
본 발명은 상기 온도센서 전극(560) 및 습도센서 전극(540)을 커버하도록 형성되며, 추가적으로 수분을 흡탈착하기 위한 감습층(550)을 더 포함한다.
상기 감습층(550)은 열경화성 폴리이미드 또는 그래핀 옥사이드(Graphene Oxide)로 형성될 수 있는 특징을 가진다. 후술하겠지만, i) 만약 상기 감습층(550)이 열경화성 폴리이미드로 형성되는 경우에는 폴리이미드를 코팅한 후, 열처리, 패터닝 및 반도체 식각 공정을 통해 감습막을 형성한 뒤 열경화 공정을 수행하고, ii) 이와 달리 상기 감습층(550)이 그래핀 옥사이드로 형성되는 경우에는 스프레이 방식 또는 코팅 방식을 이용하여 그래핀 옥사이드로 습도센서 전극 상에 감습막을 형성한 후, 열경화 공정을 수행함으로써 감습층(550)이 상기 습도센서 전극(540) 상에 형성된다.
상술한 특징들을 가지는 일체형 온습도 복합센서는 일련의 과정을 통해 제조되는데, 이에 대한 설명을 위해 도 6에 본 발명의 실시예에 따른 일체형 온습도 복합센서 제조방법의 순서도가 도시된다.
그 순서를 살펴보면, 먼저 기판(500)에 절연층(510)을 형성하는 단계(s10)가 수행되며, 도 7a 및 도 7b에 본 발명의 실시예에 따른 절연체 형성 단계를 나타낸 예시도가 도시된다.
첫 번째 단계인 기판(500)에 절연층(510)을 형성하는 단계는, 위에서 언급한 바와 같이 상기 절연층이 이산화규소(SiO2) 또는 질화규소(Si3N4) 중 어느 하나 이상의 물질이 상기 기판에 적층됨으로써 형성되는 산화막이나 질화막에 해당하는 경우에는 반도체 공정으로 2,000 ~ 10,000Å 두께의 산화막 또는 질화막을 형성하는 단계로 구성될 수 있으나, 발명의 필요에 따라 폴리이미드를 코팅한 후 열경화 공정을 수행하는 단계로 구성될 수도 있을 것이다.
즉, 상기 절연층(510)은 기판(500)과의 접착력을 향상시키고 안정적인 공정을 위하여 폴리이미드를 사용할 수도 있으며, 기판(500) 상에 폴리머 또는 폴리이미드를 도포한 후, 핫플레이트(Hot Plate)를 이용하여 140℃ 내지 150℃에서 180초 내지 300초 동안 선행 열처리를 수행한 후, 열처리 장비를 이용하여 질소 분위기에서 300℃ 내지 400℃ 에서 60분 동안 후행 열처리하여 절연층(510)으로 형성될 수 있을 것이다.
이후, 상기 기판 상의 일측에 온도센서 전극(520)을 형성하는 단계(s20)가 수행되고, 도 8a 및 도 8b에는 본 발명의 실시예에 따른 온도센서 전극 형성 단계를 나타낸 예시도가 도시된다.
상기 온도센서 전극(520)을 형성하는 단계는, 식각 공정으로 온도센서 전극을 패터닝(Patterning)하는 단계 및 패터닝된 온도센서 전극 상에 측온저항체 금속 박막을 형성하는 단계를 포함하여 구성될 수 있는데, 측온저항체 금속 박막에 이용되는 금속으로는 구리(Cu), 백금(Pt) 또는 니켈(Ni) 등이 있으며, 넓은 온도범위(-200 ~ 850℃)에 걸쳐 안정성, 직선성, 내화학성 등이 우수한 백금을 사용하여 4,000 ~ 10,000Å 두께를 갖는 박막을 형성하는 것이 가장 바람직하다.
상기 온도센서 전극(520)의 형성을 위해 백금 박막을 이용하여 절연층(510) 상에 증착할 경우, 절연층과의 접착력을 향상시키기 위해 버퍼층(미도시)으로 산화마그네슘(MgO) 또는 티타늄(Ti) 등을 200 ~ 400Å의 두께로 먼저 증착할 수 있으며, 이 때 백금 박막이 벌크 백금의 특성과 가까워지도록 1,000℃에서 2 ~ 4시간 정도 열처리 공정을 수행하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 절연층(510)의 일부 영역 상에 상기 온도센서 전극(520)을 커버하되, 폴리머(Polymer)를 이용하여 차단층(530)을 형성하는 단계를 거친다(s30). 도 9a 및 도 9b에 본 발명의 실시예에 따른 차단층 형성 단계를 나타낸 예시도가 도시된다.
본 발명에서 상기 온도센서 전극(520)이 형성되면, 차단층(530) 형성을 위해 폴리머 용액을 절연층(510)의 일부영역 상에 1 ~ 3㎛ 두께로 스핀코팅하여 도포한다.
상기 절연층(510) 상에 차단층(530) 형성을 위한 폴리머 용액이 도포되면, 핫플레이트(Hot Plate)를 이용하여 140℃ 내지 150℃에서 180초 내지 300초 동안 열처리를 수행하거나, 또는 오븐(Oven)을 이용하여 140℃ 내지 150℃에서 10분 내지 20분 동안 선행 열처리 공정을 수행하게 된다.
상기 선행 열처리 공정은, 핫플레이트(Hot Plate) 또는 오븐(Oven)을 이용한 소프트베이킹(Soft Baking) 과정이라 할 수 있다.
위와 같이 차단층(530) 형성을 위한 선행 열처리 작업 이후, 다시 열처리 장비를 이용하여 질소 분위기에서 300℃ 내지 400℃ 에서 50분 내지 70분(바람직하게는 60분 가량) 동안 후행 열처리를 수행함으로써 차단층(530)을 형성하게 된다.
그리고 상기 차단층 상에 IDT 구조의 습도센서 전극, 습도센서 패드전극 및 온도센서 패드전극을 형성하는 단계(s40)가 수행되며, 도 10a 및 도 10b에 본 발명의 실시예에 따른 습도센서 전극, 습도센서 패드 전극 및 온도센서 패드 전극 형성 단계를 나타낸 예시도가 도시된다.
상기 습도센서 전극(540)으로는 전도성이 우수한 금속을 이용하여 4,000 ~ 10,000Å 두께를 가지는 박막을 형성하는 것이 바람직하며, 위와 동일하게 절연층(510)과의 접착력을 높이기 위해 버퍼층(미도시)으로 산화마그네슘(MgO) 또는 티타늄(Ti) 등을 200 ~ 400Å의 두께로 먼저 증착할 수 있다.
보다 구체적으로, 습도센서 전극(540)으로 알루미늄(Al) 박막을 사용할 시에는 식각 공정으로 습도센서 전극(540), 습도센서 패드 전극(570) 및 온도센서 패드 전극(560)을 패터닝하는 단계 및 반도체 증착 방법을 이용하여 1 ~ 2㎛ 두께로 습도센서 전극(540), 습도센서 패드 전극(570) 및 온도센서 패드 전극(560)을 동시에 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 특징을 가진다.
마지막으로, 상기 습도센서 전극(540) 상에 감습층(550)을 형성하는 단계(s50)가 수행되는데, 도 11a 및 도 11b에는 본 발명의 실시예에 따른 감습층 형성 단계를 나타낸 예시도가 도시된다.
앞에서도 언급했지만, 상기 감습층(550)을 형성하는 단계는 다음의 두 경우로 나뉘어질 수 있다.
i) 먼저 상기 온도센서 전극 및 습도센서 전극이 형성되어 있는 영역 상에 폴리이미드(Polyimid)를 코팅하는 단계를 거치고, ii) 이어서 핫플레이트(Hot Plate)를 이용하여 140℃ ~ 150℃에서 180초 ~ 300초 동안 선행 열처리하거나, 또는 오븐(Oven)을 이용하여 140℃ ~ 150℃에서 10분 ~ 20분 동안 선행 열처리하는 단계를 거쳐, iii) 열처리 장비를 이용하여 질소 분위기에서 300℃ 내지 400℃ 에서 50분 ~ 70분 동안 열처리를 수행하는 단계를 거치면, 열경화성 폴리이미드를 이용하여 감습층(530)을 형성할 수 있다.
즉, 상기 감습층(530)을 열경화성 폴리이미드로 형성되는 경우에는, 폴리이미드를 코팅하고, 열처리, 패터닝 및 반도체 식각 공정을 통해 감습막을 형성한 후, 열경화 공정을 수행한다.
이에 비해 발명의 필요에 따라 상기 감습층(550)이 그래핀 옥사이드로 형성되는 경우에는, 스프레이 방식 또는 코팅 방식을 이용하여 그래핀 옥사이드로 습도센서 전극 상에 감습막을 형성한 후, 열경화 공정을 수행하게 된다.
위 과정들을 모두 완료한 후에는 최종적으로 웨이퍼 다이싱을 통해 개별 소자로 만든 후, 패키징하여 일체형 온습도 복합센서를 완성하게 된다.
도 12는 종래기술에 의한 적층형 습도센서의 빛의 조도 변화에 따른 정전용량값 변화 그래프이고, 도 13은 종래기술에 의한 IDT구조 습도센서의 빛의 조도 변화에 따른 정전용량값 변화 그래프이다.
도 12 내지 도 13은 일정한 온도 및 습도 환경에서 조도변화에 따른 정전용량값 변화 특성을 도시하고 있는데, 일정한 온/습도(25℃, 50%RH)를 유지한 챔버 안에 습도센서를 삽입한 후 조도 변화에 따른 정전용량값 변화를 측정한 결과 적층형 또는 IDT 구조에 관계없이 조도 변화에 따라 정전용량값이 변하는 문제를 보였으며, 이는 습도센서의 손실율이 안정적이지 못하고 변화폭이 크게 나타남을 의미하는 것으로 습도센서의 성능과 신뢰성에 심각한 문제를 야기할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시예에 의한 온습도 복합센서의 빛의 조도 변화에 따른 정전용량값 변화 그래프인데, 도 12 내지 도 13의 실험조건과 마찬가지인 일정한 온/습도(25℃, 50%RH)를 유지한 챔버 안에 본 발명의 정전용량형 습도센서를 삽입한 후, 조도 변화에 따른 정전용량값 변화를 측정한 결과, 조도변화에 따른 정전용량값의 변화가 거의 없었으며 성능 안정화 및 신뢰성이 우수한 특성을 보임을 알 수 있다.
이는 본 발명이 상기 절연층(510) 상에 차단층(530)을 형성함으로써, 종래 기술에서는 간과되어 논의되지 않았던 센서 제조 후 특성 측정 시 발생하는 빛의 조도변화에 따른 정전용량값 오차(Error) 문제를 발견하고 해결하여 조도 변화와는 무관한 안정적인 성능을 보여주는 것이라 할 수 있다.
도 15는 본 발명의 실시예에 의한 일체형 온습도 복합센서의 상대 습도 변화에 따른 특성 그래프이며, 도 13을 참조하면, 그 도시된 바와 같이 습도변화에 따른 정전용량값은 선형적인 특성을 보여주고 있으며, 본 발명의 일체형 온습도센서에 의하면, 0%RH 내지 100%RH의 상대습도 범위의 측정이 가능하고 상대습도가 증가함에 따라 정전용량값이 선형적으로 증가함을 확인할 수 있었고, 습도 센싱 특성이 우수함을 알 수 있다.
도 16은 본 발명의 실시예에 의한 일체형 온습도 복합센서의 응답에 대한 반응속도 그래프인데, 본 발명의 온습도 복합센서는 습도센서 전극(540) 사이에 감습층(550)이 형성되는 적층형 습도센서와는 달리, IDT 구조의 전극층 상에 감습층(550)을 형성하여 수분에 바로 노출시킴으로서 최소한의 시간 내에 수분의 존재를 감지할 수 있게 하여 성능이 우수한 센싱 능력을 확인할 수 있었다.
이와 같이 본 발명은 측정 환경(조도 변화 포함)에 따른 정전용량형 습도센서의 정전용량값 오차를 줄여 안정적인 습도센서 특성을 얻음으로써, 종래의 습도센서들이 환경 변화에 따른 측정 오차 발생, 특히 조도 변화에 따라 용량값이 변화한다는 문제를 발견하고 해결함으로써 센싱 성능과 신뢰성이 우수한 습도센싱 기능을 제공할 수 있다.
도 17은 본 발명의 실시예에 의한 일체형 온습도 복합센서의 온도 변화에 따른 특성 그래프이고, 도 18은 본 발명의 실시예에 의한 일체형 온습도 복합센서의 응답에 대한 반응속도 그래프이다.
도 17 및 도 18을 참조하면, 본 발명의 일체형 온습도 복합센서는 측정 온도의 변화에 따라 이에 비례하여 온도 센서의 저항값이 선형적으로 증가함을 확인할 수 있으며, 최소한의 시간 내에 온도의 변화를 감지할 수 있으므로 성능이 우수한 센싱 능력을 확인할 수 있었다.
도 19는 본 발명의 실시예에 의한 일체형 온습도 복합센서의 광학현미경 이미지로서, 6인치 웨이퍼에 적용한 모습을 현시하고 있다.
이와 같이, 본 발명은 온도센서와 습도센서가 일체형으로 형성된 온습도 복합센서를 제공하여 사용자 또는 복합센서가 적용된 기기가 보다 손쉽게 온도 및 습도를 감지할 수 있는 장점이 있다.
아울러 본 발명은 종래의 정전용량형 습도센서의 문제점을 해결하기 위한 IDT 구조의 습도센서와 기존의 반도체 온도센서의 한계를 극복하기 위한 금속 박막 온도센서를 동일 기판 상에 적용함으로써 소형의 고성능 온습도 복합센서를 낮은 비용으로 구현할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은, 실리콘 기판의 절연층과 습도센서 전극 사이에 차단층을 형성함으로써, 빛에 따른 용량값 변화를 제거하고, 습도변화에 따른 손실률을 안정화시킴으로써 습도에 대한 센싱 성능이 향상되는 장점이 있다.
이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
10: 기판 11: 하부전극
12: 감습층 13: 상부전극
14: 패드층 21: 제1도전체
22: 제2도전체 23: 제3도전체
30: 감지막 40: 패드
500: 기판 510: 절연층
520: 온도센서 전극 530: 차단층
540: 습도센서 전극 550: 감습층
560: 온도센서 패드 전극 570: 습도센서 패드 전극

Claims (13)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성되는 절연층;
    상기 절연층 상의 일측에 형성된 온도센서 전극;
    상기 온도센서 전극을 커버하면서 절연층의 일부 영역 상에 형성되는 차단층;
    상기 온도센서 전극과 전기적으로 연결된 온도센서 패드 전극;
    상기 온도센서 전극이 형성된 영역의 타측에 형성하되, 상기 차단층 상에 형성되는 습도센서 전극;
    상기 온도센서 전극 및 습도센서 전극을 커버하도록 형성되는 감습층; 및
    상기 습도센서 전극과 전기적으로 연결된 습도센서 패드 전극;을 포함하되,
    상기 차단층은 폴리머(Polymer)를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 차단층을 구비하는 일체형 온습도 복합센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 차단층은 폴리이미드(Polyimid)를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 일체형 온습도 복합센서.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 온도센서 전극 및 습도센서 전극은 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 백금(Pt) 또는 금(Au) 중 어느 하나의 금속을 이용하여 박막 형태로 형성되는 것을 특징으로 차단층을 구비하는 일체형 온습도 복합센서.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 습도센서 전극은 IDT(InterDigiTated) 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 차단층을 구비하는 일체형 온습도 복합센서.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 감습층은 열경화성 폴리이미드(Polyimid) 또는 그래핀 옥사이드(Graphene Oxide)로 형성되는 것을 특징으로 하는 차단층을 구비하는 일체형 온습도 복합센서.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 절연층은 이산화규소(SiO2) 또는 질화규소(Si3N4) 중 어느 하나 이상의 물질이 2,000 ~ 10,000Å 두께로 상기 기판에 적층됨으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 차단층을 구비하는 일체형 온습도 복합센서.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 기판의 하부면에도 별도의 절연층이 추가로 형성되는 것을 특징으로 하는 차단층을 구비하는 일체형 온습도 복합센서.
  8. 기판 상에 절연층을 형성하는 단계;
    상기 절연층의 일측에 온도센서 전극을 형성하는 단계;
    상기 절연층의 일부 영역 상에 상기 온도센서 전극을 커버하되, 폴리머(Polymer)를 이용하여 차단층을 형성하는 단계;
    상기 차단층 상에 IDT 구조의 습도센서 전극, 습도센서 패드전극 및 온도센서 패드전극을 형성하는 단계; 및
    상기 온도센서 전극 및 습도센서 전극을 커버하는 감습층을 형성하는 단계; 를 포함하는 차단층을 구비하는 일체형 온습도 복합센서 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 절연층을 형성하는 단계는,
    반도체 공정으로 2,000 ~ 10,000Å 두께의 산화막 또는 질화막을 형성하는 것을 특징으로 하는 차단층을 구비하는 일체형 온습도 복합센서 제조방법.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 차단층 형성단계는,
    상기 절연층 상에 폴리이미드(Polyimid) 용액을 도포하는 단계;
    핫플레이트(Hot Plate)를 이용하여 140℃ ~ 150℃에서 180초 ~ 300초 동안 선행 열처리하거나, 또는 오븐(Oven)을 이용하여 140℃ ~ 150℃에서 10분 ~ 20분 동안 선행 열처리하는 단계; 및
    열처리 장비를 이용하여 질소 분위기에서 300℃ 내지 400℃ 에서 50분 ~ 70분 동안 열처리를 수행하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 차단층을 구비하는 일체형 온습도 복합센서 제조방법.
  11. 제 8항에 있어서, 상기 온도센서 전극을 형성하는 단계는,
    식각 공정으로 온도센서 전극을 패터닝(Patterning)하는 단계; 및
    패터닝된 온도센서 전극 상에 측온저항체 금속 박막을 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 차단층을 구비하는 일체형 온습도 복합센서 제조방법.
  12. 제 8항에 있어서, 상기 IDT 구조의 습도센서 전극을 형성하는 단계는,
    식각 공정으로 습도센서 전극, 습도센서 패드 전극 및 온도센서 패드 전극을 패터닝하는 단계; 및
    반도체 증착 방법을 이용하여 1 ~ 2㎛ 두께로 습도센서 전극, 습도센서 패드 전극 및 온도센서 패드 전극을 동시에 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 차단층을 구비하는 일체형 온습도 복합센서 제조방법.
  13. 제 8항에 있어서, 상기 감습층을 형성하는 단계는,
    상기 온도센서 전극 및 습도센서 전극이 형성되어 있는 영역 상에 폴리이미드(Polyimid)를 코팅하는 단계;
    핫플레이트(Hot Plate)를 이용하여 140℃ ~ 150℃에서 180초 ~ 300초 동안 선행 열처리하거나, 또는 오븐(Oven)을 이용하여 140℃ ~ 150℃에서 10분 ~ 20분 동안 선행 열처리하는 단계; 및
    열처리 장비를 이용하여 질소 분위기에서 300℃ 내지 400℃ 에서 50분 ~ 70분 동안 열처리를 수행하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 차단층을 구비하는 일체형 온습도 복합센서 제조방법.
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