KR20060106458A - 저항 변화형 습도 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저항 변화형 습도 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 종래 센싱을 위해 일정한 온도를 유지해야 하거나, 급속한 온도 상승이 요구되어 히터층을 적용한 습도 센서의 경우, 기판에 히터층을 견고하게 접착하기 위해 히터층 하부에 Ti 혹은 Ta와 같은 단일 원소 접착층을 더 형성하고 있으나 상기 단일 원소 접착층은 히터가 동작하는 고온에서 확산하는 성질이 있어 히터층의 저항값이 상기 접착층의 확산에 의해 서서히 변화되므로 수명과 신뢰성이 악화되는 문제점이 있었다. 또한, 종래에는 기판 상에 금속 히터 전극을 성막 후 패터닝하기 때문에 공정 난이도가 높은 금속 공정이 요구되어 비용이 높고 형성된 히터 전극이 외부에 노출되어 환경에 영향을 받을 수 있게 되는 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 센서 제조 공정중 히터층을 증착하기 전에 공정이 용이한 리프트-오프 방법을 통해 기존 하부 기판을 일정두께만큼 식각하여 그루브를 형성한 후 접착층 없이 직접 히터층을 형성하고, 그 상부 전면에 박막의 보호막을 형성하도록 함으로써, 히터층 저항의 경시변화를 줄이고 접착성을 높이며 외부 환경으로부터 히터층을 보호할 수 있어 신뢰성과 수명을 획기적으로 개선하면서도 간단한 공정만을 이용하므로 비용을 낮출 수 있는 효과가 있다.

Description

저항 변화형 습도 센서 및 그 제조 방법{VARIABLE RESISTANCE TYPE HUMIDITY SENSOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

도 1은 종래 세라믹 절대습도 센서의 구조를 보인 단면도.

도 2는 종래 반도체형 절대습도 센서의 구조를 보인 단면도.

도 3은 종래 반도체 습도 센서에 적용되는 히터층을 보인 단면도.

도 4는 본 발명 일 실시예의 구조적 특징을 보이는 단면도 및 사시도.

도 5a 내지 도 5g는 본 발명 일 실시예의 제조 과정을 보이는 수순 단면도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100: 기판 110: 맴브레인층

115: 리프트 오프 패턴 120: 히터층

130: 보호층 140: 패드 전극

본 발명은 저항 변화형 습도 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 습도 센서에 적용되는 히터 전극의 저항 경시 변화를 줄이고 하부층과의 접착성을 높이면서도 공정을 간소화하고 히터층의 밀봉 단열이 이루어지도록 한 저항 변화형 습도 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

습도센서는 온실에서의 상추나 버섯과 같은 야채 재배, 가전제품의 경우에는 가습기나 건조기, 음식물의 자동조리, 자동차 내부나 빌딩실내의 자동 습도조절 등 다양한 분야에서 널리 활용되고 있다. 이와 같은 습도센서는 그 동작원리에 따라서 써미스터형, 저항형, 용량형 등으로 분류된다.

저항형이나 용량형은 주로 폴리머 등을 감습재료로 사용하여, 폴리머 양단이나 상하측에 적절한 전극 배치를 통하여 폴리머 내부로의 습기 흡착에 따른 전극간 저항변화 또는 용량 변화를 이용하여 습도를 측정할 수 있게 된다.

기본적인 습도 센서는 간단히 기판 상에 두개의 저항 패턴을 형성하고, 그 상부에 폴리머 감습층을 형성하여 구성하는데, 이와 같은 구조의 습도센서는 폴리머 감습층의 내부로 습기가 흡착되면 상기 두 저항 패턴의 저항성분이 변화되므로 이를 검출하여 습도의 변화를 검출하는 방식을 취한다.

그러나, 상기 감습재료인 폴리머 감습층은 폴리머를 사용하기 때문에 온도 제한이 발생하는데, 유기물인 폴리머는 사용온도가 60℃이상으로 상승하면 재료의 변형이 발생하며, 이와 같은 변형에 의해 감습의 기능이 저하될 수 있다.

또한, 오일이나 다른 오염물이 발생되는 환경에서 장시간 노출되면 감습층의 표면이 변질되거나, 표면이 막혀 습기가 침투할 수 없게 되어 그 감습특성이 저하된다. 무엇보다도 이러한 형태의 습도 센서는 측정값이 직선성을 가지지 않고 주위 환경에 영향을 받기 때문에 상대 습도를 정량적으로 측정하기 어려워 정밀한 상대습도 측정에는 적합하지 않다.

따라서, 이러한 오염물을 제거하기 위해 칸탈 와이어 히터를 감습 소자 주위에 탑재하여 감습 재료 표면에 흡착된 수분이나 오일성분 등을 날려주는 구조를 갖추며 갑습제로 온도 특성이 뛰어난 무기재료 세라믹을 사용한 벌크형 습도센서나, 후막 히터 패턴이 기판상에 형성된 후막형 습도센서도 개발되어 있으나 열용량이 커서 전력소모가 막대하고 응답속도가 느리며 패키징에 어려움이 있어서 재현성이나 균일성에 문제가 있기 때문에 응용이 극히 제한적이다.

실제 이용되는 습도 센서들을 보면, 전자레인지의 음식물 조리를 위한 습도센서로 두 개의 써미스터를 이용한 절대습도센서가 널리 이용되고 있다. 절대습도센서는 주위온도 변화에 영향을 받지 않음으로 안정된 습도를 검출할 수 있다는 장점이 있다. 전자레인지에서 절대습도센서의 감습 원리는 음식물 조리 시 음식물로부터 발생한 수증기가 써미스터의 열을 빼앗아 감에 따른 써미스터의 온도 변화로인한 저항 변화를 이용한다.

도 1은 종래의 세라믹 써미스터(1, 2)를 이용한 절대 습도 센서의 구조를 보인 단면도로서, 도시한 바와 같이 유리막과 같은 보호막으로 도포된 세라믹 써미스터(1, 2) 두개가 백금과 같은 귀금속 도선(3)에 의해 지지 핀(4)에 연결되어 부유하는 구조로 되어 있으며 외부는 두개의 써미스터를 격리시키는 금속 패키지(5)에 의해 보호되어 있다. 그 중 일측의 써미스터는(1)는 상기 금속 패키지(5)에 미세한 구멍(Hole)이 있어 수증기가 써미스터(1) 표면에 접촉할 수 있도록 대기 중에 노출되며, 타측 써미스터(2)는 금속 패키지(5)에 의해 밀폐(Dry N₂ 분위기)되어 수증기 가 접촉하지 못하게 되어 있다. 따라서 상기 두개의 써미스터(1, 2)와 외부저항으로 브릿지회로를 구성하면 음식물 조리에 의한 수증기 발생 시 발생된 수증기가 대기 중에 노출된 써미스터(1)의 열을 빼앗아 감으로써 노출된 한 개의 써미스터(1)에서만 저항 변화가 발생하여 바이어스전압에 의한 출력변화로 습도를 감지하게 된다.

도 2는 도 1의 경우를 반도체 박막으로 집적화한 것으로써 두개의 박막 소자중 하나는 기준(reference)으로, 하나는 감지부로 사용하여 절대습도를 감지하도록 한다. 이는 도 1과 같은 방식에 비해 감도의 향상, 소비전력 저하 및 소자크기의 감소라는 장점을 가지게 된다. 그러나 도 2와 같이 박막으로 집적화한 습도센서의 경우, 발열을 위하여 히터층으로 사용되는 금속층(16, 17)과 멤브레인(12, 13) 간의 접착력을 향상시키기 위하여, Ti나 Ta와 같은 접착층을 사용하게되고, 이러한 단일 원소 접착층은 센서의 작동온도에서 시간이 지남에 따라 히터층 표면이나, 기판으로 확산이 일어나, 히터층 저항값의 경시변화를 일으키게 된다.

도 3은 이러한 히터층의 구조를 도시한 단면도로서, 도시한 바와 같이 기판(10) 상에 형성된 맴브레인층(20) 상부에 히터 패턴(30)이 접착층(미도시)에 의해 접착되어있는 구조를 보이고 있다. 따라서 이를 위해서 금속 패터닝 공정이 요구되어 공정 난이도가 높고, 히터 전극이 노출되는 면적이 넓어지게 되어 외부 환경에 의한 영향을 받을 가능성이 높아진다.

즉, 장시간 사용하면 히터에 의한 발열온도가 달라지고, 습도에 의한 히터층의 저항변화를 감지하는 습도센서의 경우 동일 습도에서 검출되는 저항값이 점차 변화하게 되며, 공정 난이도 역시 높아 비용 발생이 높고 수율이 낮아진다.

상기한 바와 같이 종래 센싱을 위해 일정한 온도를 유지해야 하거나, 급속한 온도 상승이 요구되어 히터층을 적용한 습도 센서의 경우, 기판에 히터층을 견고하게 접착하기 위해 히터층 하부에 Ti 혹은 Ta와 같은 단일 원소 접착층을 더 형성하고 있으나 상기 단일 원소 접착층은 히터가 동작하는 고온에서 확산하는 성질이 있어 히터층의 저항값이 상기 접착층의 확산에 의해 서서히 변화되므로 수명과 신뢰성이 악화되는 문제점이 있었다. 또한, 종래에는 기판 상에 금속 히터 전극을 성막 후 패터닝하기 때문에 공정 난이도가 높은 금속 공정이 요구되어 비용이 높고 형성된 히터 전극이 외부에 노출되어 환경에 영향을 받을 수 있게 되는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 센서 제조 공정중 히터층을 증착하기 전에 공정이 용이한 리프트-오프 방법을 이용하여 기존 하부 기판을 일정두께만큼 식각하여 그루브를 형성한 후 접착층 없이 직접 히터층을 형성하고, 그 상부 전면에 박막의 보호막을 형성하도록 함으로써, 히터층 저항의 경시변화를 줄이고 접착성을 높이면서 외부 환경에서 히터층을 보호할 수 있도록 한 저항 변화형 습도 센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 표면 일부가 제거되어 그루브가 형성된 기판과; 상기 기판의 그루브 영역에 형성된 히터층과; 상기 히터층 및 기판 상부 전면에 형성되는 보호층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 기판은 표면에 맴브레인층이 더 형성되어 있으며, 상기 그루브는 맴브레인층의 일부에 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 기판 상에 리프트 오프 패턴을 형성하는 단계와; 상기 리프트 오프 패턴을 마스크로 식각을 실시하여 기판 상에 그루브를 형성하는 단계와; 상기 그루브에 히터층을 형성하는 단계와; 상기 리프트 오프 패턴을 제거한 후 기판 상의 그루브에 매립된 히터층을 보호하는 보호층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 히터층의 일부가 노출되도록 상기 보호층의 일부를 제거한 후, 해당 부분에 도전성 패드 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 같은 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명 일 실시예의 단면도 및 사시도로서, 도시한 바와 같이 히터층(120)이 맴브레인층(110)을 가진 기판(100)에 매립되어 있으며, 이를 보호층(130)이 한번 더 보호하고 있음을 알 수 있다.

즉, 본원 발명에서는 히터층(120)이 그루브 형태의 구조물과 보호층(130)에 의해 완전히 매립 밀봉되어 있어 벗겨짐 등이 발생할 수 없는 구조를 가지고 있으므로, 별도의 접착층이 필요하지 않다. 다시 말해서, Ti나 Ta와 같이 접착을 위해 사용되는 물질이 고온에서 확산하여 히터층의 저항에 경시변화를 일으킬 수 있는 요인을 완전히 배제할 수 있는 구성인 것이다. 그로인해 수명과 신뢰성을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 또한, 본원 발명은 히터층을 증착 및 패터닝하는 고난도의 금속 공정 대신, 비교적 간단한 공정으로 이루어지는 리프트-오프법을 이용하여 그루브 및 히터층을 형성할 수 있으므로 비용 절감과 대량 생산에서의 수율 향상을 기대할 수 있다.

도 5a 내지 도 5g는 본원 발명 일 실시예의 제조 과정을 보인 수순 단면도로서, 한번의 사진 식각 공정을 통해 리프트-오프 패턴을 형성하는 것으로 비교적 용이한 공정 만으로 히터층을 형성할 수 있게 된다.

먼저, 도 5a에 도시한 바와 같이 기판(100)상에 맴브레인층(110)을 형성한다. 이는 다양한 센서의 구조적 조건에 따라 필수적으로 필요한 층일 수 있는데, 예를 들어 센서 부분만 부유시키기 위해 맴브레인층(110) 하부를 벌크 식각하여 히터층에 의해 발생한 열이 기판(100)에 전달되지 않도록 하는 역할을 하기도 하며, 접착층의 원소 확산을 방지하기도 할 뿐만 아니라 기판(100)과의 절연성을 확보하는 역할도 한다. 그로인해, 상기 맴브레인층(110)은 히터에 의해 발생한 열의 손실을 억제할 수 있도록 열전도도가 현저히 낮은 물질을 이용하는 것이 바람직한데, SiNx, SiO₂/SiNx/SiO₂와 같은 세라믹 계열의 재료를 이용할 수 있다.

그리고, 도 5b에 도시한 바와 같이 히터층이 매립될 맴브레인층(110) 만을 노출시키는 리프트-오프 패턴(115)을 형성한다.

그리고, 도 5c에 도시한 바와 같이 상기 형성된 리프트-오프 패턴(120)을 마스크로 식각하여 상기 맴브레인층(110)의 일부에 그루브를 형성한다. 상기 그루브의 깊이는 이후 형성될 히터층(120)의 두께와 일치하는 것이 좋으나 반드시 같은 깊이일 필요는 없다. 또한, 상기 그루브의 깊이는 맴브레인층(110)의 두께를 고려하여 맴브레인층(110)의 스트레스를 해치지 않도록 해야 한다. 물론, 맴브레인층(110)을 사용하지 않는 경우 기판(100)에 직접 그루브를 형성할 수도 있으나 히터층이 발생시킨 열의 손실을 줄이기 위해 열 전도도가 낮은 맴브레인층(110)을 이용하는 것이 바람직하다. 이때, 그루브를 형성하는 이유 중 하나가 이후 형성될 히터층(120)과 기판(100, 110)과의 물리적인 접착성을 강화하기 위한 것이므로 그루브의 표면이 거칠 수록 접착성이 높아지게 된다. 따라서, 상기 식각은 건식 식각을 실시하여 식각 표면의 에너지를 불안정하게 하는 것이 바람직하다.

그리고, 도 5d에 도시한 바와 같이 상기 형성된 구조물 상부 전면에 히터층(120)을 형성한다. 상기 히터층(130)은 각종 기체나 수분 및 온도변화에 대한 저항성과 내화학성이 우수한 재료(Pt 등)가 사용되는데, 본원 발명의 경우에는 히터층이 외부에 거의 노출되지 않도록 하는 구조이므로 외부 환경에 대한 영향을 덜 받게 되어 재료 사용의 폭이 넓어질 수 있다.

그리고, 도 5e에 도시한 바와 같이 상기 리프트-오프 패턴(115)을 제거하면 기판(100) 혹은 맴브레인(110)에 매립된 형태의 히터층(120)만 잔류하게 된다. 이를 통해 접착층 없이도 소정의 접착성을 가지는 히터층(120)을 형성할 수 있으나, 본원 발명에서는 접착성을 더욱 보강하면서 히터층(120)의 노출로 인한 경시 변화를 줄이기 위해 도 5f에 도시한 바와 같이 보호층(130)을 구조물 상부 전면에 더 형성한다. 상기 보호층(130)은 박막이면서 열에 강하고, 열의 전도도가 높은 산화막으로 형성하는 것이 바람직하며, 실리콘 산화막을 이용할 수 있다. 이러한 보호 층은 패시베이션 층으로 사용되어 히터층(120)을 외부 환경과 차단한다.

그리고, 도 5g는 부가적인 공정으로서, 상기 보호층(130)으로 히터층(120)이 완전히 차단되는 구조를 형성할 경우 히터층(120)을 외부 전극과 연결하기 위해 패드 전극(140)을 더 형성하는 공정을 보인 것이다. 도시한 바와 같이 히터층(120)의 각 종단부 일부 영역들이 노출되도록 상기 보호층(130)의 일부를 제거한 후, 해당 부분에 도전성 패드 전극(140)을 형성한다.

따라서, 본원 발명은 비교적 용이한 공정들을 이용하여 히터층을 제조할 수 있기 때문에 비용이 절감되고, 대량 생산시 수율이 높으며, 접착층 적용에 의한 히터 저항의 경시 변화 가능성을 완전히 배제하여 신뢰성과 수명 및 감도를 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 보호층에 의해 히터층의 박리를 방지함과 아울러 히터층을 외부 환경과 차단시킬 수 있어 외부 환경에 의한 오염을 방지할 수 있게 된다.

상기한 바와 같이 본 발명 저항 변화형 습도 센서 및 그 제조 방법은 센서 제조 공정중 히터층을 증착하기 전에 공정이 용이한 리프트-오프 방법을 통해 기존 하부 기판을 일정두께만큼 식각하여 그루브를 형성한 후 접착층 없이 직접 히터층을 형성하고, 그 상부 전면에 박막의 보호막을 형성하도록 함으로써, 히터층 저항의 경시변화를 줄이고 접착성을 높이며 외부 환경으로부터 히터층을 보호할 수 있어 신뢰성과 수명을 획기적으로 개선하면서도 간단한 공정만을 이용하므로 비용을 낮출 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

1. 표면 일부가 제거되어 그루브가 형성된 기판과;

   상기 기판의 그루브 영역에 형성된 히터층과;

   상기 히터층 및 기판 상부 전면에 형성되는 보호층을 포함하는 것을 특징으로 하는 저항 변화형 습도 센서.
2. 제 1항에 있어서, 상기 기판은 표면에 맴브레인층이 더 형성되어 있으며, 상기 그루브는 맴브레인층의 일부에 형성되는 것을 특징으로 하는 저항 변화형 습도 센서.
3. 제 2항에 있어서, 상기 맴브레인층은 세라믹 계열의 재료를 포함하는 열전도도가 낮은 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 저항 변화형 습도 센서.
4. 제 1항에 있어서, 상기 보호층은 패시베이션을 위한 실리콘 산화막인 것을 특징으로 하는 저항 변화형 습도 센서.
5. 기판 상에 리프트 오프 패턴을 형성하는 단계와;

   상기 리프트 오프 패턴을 마스크로 식각을 실시하여 기판 상에 그루브를 형성하는 단계와;

   상기 그루브에 히터층을 형성하는 단계와;

   상기 리프트 오프 패턴을 제거한 후 기판 상의 그루브에 매립된 히터층을 보호하는 보호층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저항 변화형 습도 센서 제조 방법.
6. 제 5항에 있어서, 상기 히터층의 일부가 노출되도록 상기 보호층의 일부를 제거한 후, 해당 부분에 도전성 패드 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저항 변화형 습도 센서 제조 방법.
7. 제 5항에 있어서, 상기 기판의 상하부에 맴브레인층을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 그루브는 상기 맴브레인층에 형성되는 것을 특징으로 하는 저항 변화형 습도 센서 제조 방법.
8. 제 7항에 있어서, 상기 맴브레인층은 SiNx, SiO₂/SiNx/SiO₂를 포함하는 열 전도도가 낮은 재료로 형성하는 것을 특징으로 하는 저항 변화형 습도 센서 제조 방법.

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