KR20080052297A - 부양형 나노선 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나노선(nanowire)을 활용하여 우수한 감지특성을 갖고, 대량생산이 가능한 부양형(suspended) 나노선 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 이를 위한 본 발명의 부양형 나노선 센서는 기판 상부에 형성되며 상호 물리적으로 분리된 제1감지전극 및 제2감지전극, 상기 제1감지전극으로부터 상기 제2감지전극으로 연장되어 형성되고, 상기 제1감지전극과 상기 제2감지전극 사이에서 물리적으로 부양되어 형성된 나노선 감지소재를 포함하고 있으며, 상술한 본 발명에 따르면, 우수한 감지특성을 갖는 부양형 나노선 센서를 대량생산할 수 있는 효과가 있다.
화학센서(chemical sensor), 광센서(light detector), 나노선(nanowire), 부양형 구조(suspended structure)

Description

부양형 나노선 센서 및 그 제조 방법{SUSPENDED NANOWIRE SENSOR AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
본 발명은 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 나노선(nanowire)을 활용하여 우수한 감지특성을 갖고, 대량생산이 가능한 부양형(suspended) 나노선 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
현재 나노소재(nano material)를 활용한 센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이는 나노소재가 갖는 큰 표면적, 작은 크기, 균일한 물성, 특이한 화학반응성과 같은 나노소재에서만 나타나는 특성에 의해서 종래 센서의 특성을 크게 개선할 수 있기 때문이다. 예를 들어, 금속산화물 화학센서의 경우에 감지소재로 사용되는 금속산화물의 입자크기를 나노 사이즈(nano size)로 작고 균일하게 제어하면 센서의 감지특성을 크게 개선할 수 있다고 알려진바 있다. 또한, 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT) 소재를 이용하여 센서의 구동온도 및 감지감도를 크게 향상시키고, 센서의 크기도 아주 작게 하는 것이 가능하다는 연구 결과(science 287, 622)도 발표되기도 하였다. 또한, 탄소나노튜브 이외에 반도체 특성을 갖는 실리콘 나노선, 금속산화물 나노선과 같은 다양한 나노소재들을 이용하여서도 센서의 성능을 개선할 수 있다고 알려져 있다.
하지만, 상술한 나노선 또는 탄소나노튜브와 같은 나노소재의 합성기술은 많이 개발된 상황이지만, 나노소재를 활용한 장치 예컨대, 나노선 센서 및 이를 대량생산할 수 있는 제조기술이 부족한 상태이다.
도 1은 종래기술에 따른 나노선 센서를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래기술에 따른 나노선 센서는 기판(11), 기판(11) 상부에 형성된 절연층(12), 절연층(12) 상부에 형성된 나노선 감지소재(14) 및 나노선 감지소재(14)에 접하도록 형성된 감지전극(13)을 포함한다. 여기서, 나노선 감지소재(14)는 기판(11) 상부에 직접 나노선을 형성하는 방법 또는 다른 곳에서 형성된 나노선을 용액에 분산한 후, 이를 기판(11) 상부의 원하는 위치로 이송하는 방법 중 어느 한 방법을 사용하여 형성한다.
상술한 종래기술에 따른 나노선 센서는 나노선 감지소재(14)의 외견상 형태에 따라 크게 두 가지로 구분할 수 있다. 하나는 단일 혹은 소수의 나노선 감지소재(14)가 기판(11) 상부에 배치된 형태이고, 다른 하나는 복수개의 나노선으로 구성된 나노선 집합체를 이용하여 기판(11) 상부에 다수의 나노선 감지소재(14)가 무작위로 배치형태이다.
단일 혹은 소수의 나노선 감지소재가 기판(11) 상부에 배치된 형태는 나노선 감지소재(14)와 감지전극(12) 사이의 접촉을 형성하기 위하여 나노선 감지소재(14) 의 위치를 전자주사현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM) 또는 원자힘현미경(Atomic Force Microscopy, AFM)을 이용하여 확인한 후, 그 위치에 맞추어서 감지전극(13)을 형성한다. 이러한 방법으로 형성된 나노선 센서는 우수한 감지특성을 갖지만, 센서의 생산성이 낮다는 문제점이 있다.
나노선 집합체를 이용하여 기판(11) 상부에 다수의 나노선 감지소재(14)가 무작위로 배치된 형태는 다수의 나노선으로 구성된 집합체를 이용하여 센서를 제작하므로 센서의 생산성은 우수하지만, 다수의 나노선 감지소재(14)가 무작위로 배치됨에 따라 나노선 감지소재(14) 사이의 상호작용으로 인하여 감지특성이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 상술한 종래기술에 따른 나노선 센서는 나노선 감지소재(14)가 기판(11)에 부착되어 있으므로 기판(11)과 나노선 감지소재(14) 사이에 상호작용으로 인하여 감지특성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 대량생산이 가능한 부양형 나노선 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 다수의 나노선 감지소재를 사용하되, 나노선 사이의 상호작용을 최소화하여 우수한 감지특성을 갖는 부양형 나노선 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 나노선 감지소재와 기판 사이의 상호작용으로 인하여 감지특성이 저하되는 것을 방지할 수 있는 부양형 나노선 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 측면에 따른 본 발명의 부양형 나노선 센서는 기판 상부에 형성되며 상호 물리적으로 분리된 제1감지전극 및 제2감지전극, 상기 제1감지전극으로부터 상기 제2감지전극으로 연장되어 형성되고, 상기 제1감지전극과 상기 제2감지전극 사이에서 물리적으로 부양되어 형성된 나노선 감지소재를 포함한다. 이때, 상기 나노선 감지소재가 부양된 부분에 대응하는 상기 기판에 형성된 트렌치를 포함할 수 있으며, 상기 트렌치는 폭에 대비하여 깊이가 큰 값을 갖도록 형성할 수 있다.
상기 나노선 감지소재는 화학종 또는 빛에 반응하여 전기전도도가 변화하는 소재로 형성할 수 있다. 예컨대, 탄소, 실리콘, 텅스텐산화물, 주석산화물, 인듐산화물, 티타늄산화물 및 아연산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 한 물질이 1nm ~ 500nm 범위의 폭 및 1um ~ 100um 범위의 길이는 갖는 나노선으로 형성할 수 있다. 또한, 상기 나노선 감지소재는 1nm ~ 10nm 범위의 폭 및 1um ~ 100um 범위의 길이는 갖는 탄소나노튜브로 형성할 수도 있다.
상기 기판은 실리콘, GaAs, 유리, 플라스틱 및 세라믹으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 형성할 수 있다.
상기 제1감지전극 및 제2감지전극은 빗살형태를 갖고, 상기 빗살형태가 서로 엇갈린 구조를 갖도록 형성할 수 있으며, 상기 제1감지전극과 제2감지전극은0.3um ~ 50um 범위의 간격을 갖도록 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 부양형 나노선 센서는 상기 기판과 상기 제1감지전극 및 제2감지전극 사이에 형성된 절연막을 더 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 다른 일 측면에 따른 본 발명의 부양형 나노선 센서의 제조방법은 기판 상부에 상호 물리적으로 분리된 제1감지전극 및 제2감지전극을 형성하는 단계 및 상기 제1감지전극으로부터 상기 제2감지전극으로 연장되고, 상기 제1감지전극과 상기 제2감지전극 사이에서 물리적으로 부양되도록 나노선 감지소재를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 제1감지전극 및 제2감지전극을 형성하는 단계는, 상기 기판을 선택적으로 식각하여 트렌치를 형성하는 단계 및 전자빔증착법(Electron Beam Evaporation) 또는 열증발증착법(Thermal Evaporation)과 같은 비등방성 진공 증착법을 이용하여 상기 트렌치로 인하여 돌출된 기판 상부에 제1감지전극 및 제2감지전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1감지전극 및 제2감지전극은 금속 섀도우 마스크(metal shadow mask)를 이용하여 형성할 수 있으며, 상기 트렌치는 폭에 대비하여 깊이가 큰 값을 갖도록 DRIE(deep reactive ion etch)방법을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 나노선 감지소재를 형성하는 단계는, 복수개의 나노선을 형성하는 단계; 상기 복수개의 나노선을 용액에 분산하는 단계; 상기 용액에 분산된 나노선을 상기 제1감지전극 및 제2감지전극 상부에 이송하는 단계 및 상기 용액을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 분산된 나노선을 상기 제1감지전극 및 제2감지전극 상부에 이송하는 단계는 drop coating, spin coating, spay coating 및 dip coating 으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 한 방법을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 부양형 나노선 센서의 제조방법은 상기 기판과 상기 제1감지전극 및 제2감지전극 사이에 절연막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 절연막은 열산화법(thermal oxidation) 또는 원자층증착법(Atomic Layer Deposition, ALD) 중 어느 한 방법을 사용하여 형성할 수 있다.
본 발명은 나노선 집합체를 이용하여 나노선 감지소재를 형성함으로써, 나노선 센서를 대량생산할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 감지전극 사이에 트렌치를 형성하여 나노선 감지소재가 감 지전극 사이에서 물리적으로 부양되도록 형성함으로써, 나노선 사이의 상호작용을 최소화하여 나노선 센서의 감지특성을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 나노선 감지소재와 기판 간의 접촉을 방지하여 나노선 센서의 감지특성을 더욱 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 비등방성 진공 증착법을 이용하여 감지전극을 형성함으로써, 별도의 패터닝공정없이 손쉽게 미세패턴을 갖는 감지전극을 형성할 수 있으며, 이를 통하여 제조공정을 단순화하고 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 실리콘 기반의 상용화된 반도체 공정과의 호환성이 뛰어나서 SOC(System-On-Chip)과 같은 응용 분야에 손쉽게 적용할 수 있는 효과가 있다.
이하 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하기로 한다. 또한 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이며, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판상에 직접 형성될 수 있거나, 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 도면번호로 표시된 부분은 동일한 요소를 나타낸다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 부양형 나노선 센서를 도시한 사시도이고, 도 2b는 도 2a에 도시된 X-X` 절취선을 따라 도시한 단면도이다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 부양형 나노선 센서는 기판(21) 상부에 형성되며 상호 물리적으로 분리된 제1감지전극(23A) 및 제2감지전극(23B), 제1감지전극(23A)으로부터 제2감지전극(23B)으로 연장되어 형성되고, 제1감지전극(23A)과 제2감지전극(23B) 사이에서 물리적으로 부양되어 형성된 나노선 감지소재(24)를 포함한다. 이때, 나노선 감지소재(24)가 부양된 부분에 대응하는 기판(21)에는 트렌치(26)가 형성되어 있다. 또한, 기판(11)과 감지전극(23) 사이에 형성된 절연막(22)을 더 포함할 수 있다.
상술한 구조는 갖는 본 발명의 부양형 나노선 센서는 감지전극(23) 사이의 간격보다 충분히 긴 나노선만이 감지전극(23) 사이의 전기적인 연결을 형성할 수 있다. 즉, 센싱반응에 참여하는 나노선 감지소재(24)는 감지전극(23)에만 접하고, 이외의 영역에서는 부양된 형태를 가진다. 만약, 나노선의 길이가 감지전극(23)의 간격보다 작거나, 나노선의 배열이 트렌치(26)에 평행한 경우에는 전기적인 연결이 이루어지지 않아 나노선 감지소재(24)로 작용하지 않는다.
여기서, 본 발명의 부양형 나노선 센서는 트렌치(26)로 인하여 돌출된 기판(21) 상부에 감지전극(23)이 형성되기 때문에 효과적으로 나노선 감지소재(24)를 부양시키기 위해서는 트렌치(26)의 폭(width)과 깊이(depth)가 매우 중요한 변수이다. 이때, 트렌치(26)의 폭과 깊이는 나노선 감지소재(24)의 크기와 가용한 반도체 공정에 의하여 결정된다. 따라서, 트렌치(26) 폭은 0.3um ~ 50um 범위의 간격을 갖도록 형성하는 것이 바람직하며, 감지전극(23) 간격보다 짧은 나노선 감지소재(24)는 센싱반응에서 배제하기 위해서는 트렌치(26) 깊이는 최소한 트렌치(26) 폭보다 는 큰 값을 갖는 것이 바람직하다.
나노선 감지소재(24)는 본 발명의 부양형 나노선 센서의 생산성을 향상시키기 위하여 즉, 대량생산이 가능하도록 하기 위하여 나노선 집합체를 이용하여 형성할 수 있다. 이때, 나노선 집합체는 복수개의 나노선이 일정한 방향성 없이 무작위로 존재하는 것을 말한다.
또한, 나노선 감지소재(24)는 화학종 또는 빛에 반응하여 전기전도도가 변화하는 소재 예컨대, 탄소, 실리콘, 텅스텐산화물, 주석산화물, 인듐산화물, 티타늄산화물 및 아연산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 한 물질이 1nm ~ 500nm 범위의 폭 및 1um ~ 100um 범위의 길이는 갖는 나노선으로 형성할 수 있다. 또한, 1nm ~ 10nm 범위의 폭 및 1um ~ 100um 범위의 길이는 갖는 탄소나노튜브로 형성할 수도 있다. 여기서 탄소나노튜브의 경우, 대량생산이 가능하며 크기가 매우 작은 물질이기 때문에 응용가능성이 매우 높은 물질이다.
감지전극(23)은 나노선 감지소재(24)의 전기전도도 변화를 효과적으로 측정하기 위하여 여러가지 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1감지전극(23A)과 제2감지전극(23B)이 서로 평행하게 나열된 형태로 형성하거나, 도면에 도시된 것과 같이 제1감지전극(23A) 및 제2감지전극(23B)이 각각 빗살형태의 구조를 갖고, 서로 엇갈리도록 배치된 형태로 형성할 수도 있다. 바람직하게는 감지전극(23)과 나노선 감지소재(24)와의 접촉면적을 최대화하기 위하여 제1감지전극(23A) 및 제2감지전극(23B)이 각각 빗살형태의 구조를 갖고, 서로 엇갈리도록 배치된 형태로 형성하는 것이 좋다.
또한, 감지전극(23)은 나노선 감지소재(24)를 효과적으로 부양시키기 위하여 0.3um ~ 50um의 간격을 갖도록 형성하는 것이 바람직하며, 금(Au), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 텅스텐(W), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir)과 같은 금속막, 티타늄질화막(TiN)과 같은 도전성 금속질화막 및 폴리실리콘막으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 형성할 수 있다.
기판(21)은 가격이 저렴한 실리콘, GaAs, 유리, 플라스틱 또는 세라믹으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 나노선 집합체를 이용하여 나노선 감지소재(24)를 형성함으로써, 나노선 센서를 대량생산할 수 있다.
또한, 본 발명은 감지전극(23) 사이에 트렌치(26)를 형성하여 나노선 감지소재(24)가 감지전극(23) 사이에서 물리적으로 부양되도록 형성함으로써, 나노선 감지소재(24) 사이의 상호작용을 최소화하여 나노선 센서의 감지특성을 향상시킬 수 있으며, 나노선 감지소재(24)와 기판(21) 간의 접촉을 방지하여 나노선 센서의 감지특성을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 부양형 나노선 센서의 제조방법을 도 2a의 X-X` 절취선을 따라 도시한 공정 단면도이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 기판(21) 전면에 하드마스크패턴(25)을 형성한다. 본 발명은 부양형 나노선 센서는 트렌치(26)로 인하여 돌출된 기판(21) 상부에 감지전극이 형성되기 때문에 후속공정을 통하여 형성될 감지전극의 형상을 고려하여 트렌치(26)를 형성할 필요성이 있다. 따라서, 하드마스크패턴(25)의 평면형상은 슬릿형태 또는 'ㄹ'자형태 중 어느 한 형태로 형성할 수 있으며, 바람직하게는 후속공정을 통하여 형성될 나노선 감지소재와 감지전극 간의 접촉면적을 증가시키기 위하여 'ㄹ'자형태로 형성하는 것이 좋다.(도 2a 참조)
또한, 하드마스크패턴(25)은 열산화법 또는 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD) 중 어느 한 방법을 이용하여 산화막계열, 질화막계열 및 질화산화막(oxynitride)으로 이루어진 그룹으로 선택된 어느 하나로 이루어진 단일막 또는 이들이 적층된 적층막으로 형성할 수 있다. 예컨대, 산화막계열로는 실리콘산화막(SiO2), BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass), PSG(Phosphorus Silicate Glass), TEOS(Tetra Ethyle Ortho Silicate), USG(Un-doped Silicate Glass), SOG(Spin On Glass), 고밀도플라즈마산화막(High Density Plasma, HDP) 또는 SOD(Spin On Dielectric) 중 어느 하나를 사용할 수 있으며, 질화막계열로는 실리콘질화막(Si3N4)을 사용할 수 있다.
기판(21)은 가격이 저렴한 실리콘, GaAs, 유리, 플라스틱 및 세라믹으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
다음으로, 하드마스크패턴(25)을 식각장벽(etch barrier)으로 기판(21)을 식각하여 트렌치(26)를 형성한다. 이때, 후속공정을 통하여 형성될 나노선 감지소재를 효과적으로 부양시키기 위해서는 트렌치(26)는 폭에 대비하여 깊이가 큰 값을 갖도록 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 트렌치(26)는 건식식각법(Dry etch) 또는 습식식각법(Wet etch) 중 어 느 한 방법을 사용하여 형성할 수 있으며, 바람직하게는 건식식각법 예컨대, DRIE(Deep Reactive Ion Etch)방법을 사용하여 형성하는 것이 좋다. 이는 습식식각법에 비하여 트렌치(26)의 프로파일을 제어하기 쉽기 때문이다.
여기서, DRIE방법은 건식식각과 고분자보호층 형성을 교대로 진행하면서 트렌치(26) 측벽은 보호하면서 트렌치(26)의 깊이 방향으로만 비등방성 식각(anisotropy etch)을 해내는 것을 핵심으로 하는 식각 기술이다. 이러한 DRIE방법을 사용하면 기판(21)을 수십에서 수백 마이크로미터까지 수직으로 식각하는 것이 가능하다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 하드마스크패턴(25)을 제거한 후, 트렌치(26)를 형성하기 위한 DRIE공정시 발생한 트랜치(26) 측벽의 거칠기(roughness) 완화 및 오염물질을 제거를 위하여 열처리공정을 진행한다. 이때, 열처리는 산소(O2)분위기에서 800℃ 온도로 실시할 수 있다.
다음으로, 트렌치(26)를 포함하는 기판(21) 전면에 절연막(22)을 형성한다. 이때, 절연막(22)은 후속 공정에서 형성될 감지전극과 기판(21) 사이를 전기적으로 분리시키기 위한 것으로, 열산화법 또는 원자층증착법(ALD) 중 어느 한 방법을 사용하여 알루미나막을 80nm 두께로 형성한다.
한편, 절연막(22)으로 알루미나막 대신에 산화막계열, 질화막계열 및 질화산화막으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나를 형성할 수도 있다.
도 3c에 도시된 바와 같이, 트렌치(26)로 인하여 돌출된 절연막(22) 상에 감 지전극(23)을 형성한다. 이때, 감지전극(23)은 금속 섀도우 마스크(metal shadow mask)를 이용하여 감지전극(23)이 형성될 전체 영역을 설정한 후, 비등방성 진공 증착법 이용하여 별도의 패터닝공정 없이 트렌치(26)로 인하여 돌출된 절연막(22) 상에 감지전극(23)을 형성할 수 있다.
감지전극(23)을 형성하는 방법을 자세히 설명하면, 반응챔버의 일측에 금속 섀도우 마스크가 형성된 기판(21)을 위치시키고, 타측에 감지전극(23)을 형성하기 위한 전극소스물질 예컨대, 금(Au)을 위치시킨다. 이때, 비등방성 진공 증착법인 열증발증착법 또는 전자빔증착법 중 어느 한 방법을 사용하여 금(Au)을 기화시켜 기판(21)에 금(Au)을 증착하여 감지전극(23)을 형성한다. 이때, 트렌치(26)로 인하여 돌출된 절연막(22) 상에만 감지전극(23)을 형성하기 위하여 기판(21)을 전극소스물질이 기화되어 나오는 방향에 대하여 일정 각도 예컨대, 8°의 경사지게 위치시키 기판(21)의 소정영역에 선택적으로 감지전극(23)을 형성할 수 있다.
또한, 감지전극(23)은 후속 공정을 통하여 형성될 나노선 감지소재의 전기전도도 변화를 효과적으로 측정하기 위하여 다양한 형태로 형성할 수 있다. 예를 들어, 감지전극이 서로 평행하게 나열된 형태로 형성하거나, 나노선 감지소재와의 접촉 면적을 최대화하기 위하여 빗살형태의 구조가 서로 엇갈리도록 배치된 형태로 형성할 수도 있다.
또한, 감지전극(23)은 후속 공정을 통하여 형성될 나노선 감지소재를 효과적으로 부양시키기 위하여 0.3um ~ 50um의 간격을 갖도록 형성하는 것이 바람직하며, 금(Au), 백금(Pt), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 텅스텐(W), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir)과 같은 금속막, 티타늄질화막(TiN)과 같은 도전성 금속질화막 및 폴리실리콘막으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 형성할 수 있다.
도 3d에 도시된 바와 같이, 감지전극(23) 상부에 나노선 감지소재(24)를 형성한다. 이때, 나노선 감지소재(24)를 단벽-탄소나노튜브(single wall Carbon nanotube, SW-CNT)로 형성할 수 있다.
여기서, 나노선 감지소재(24)로 단벽-탄소나노튜브 대신에 탄소, 실리콘, 텅스텐산화물, 주석산화물, 인듐산화물, 티타늄산화물 및 아연산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 한 물질이 1nm ~ 500nm 범위의 폭 및 1um ~ 100um 범위의 길이는 갖는 나노선으로 형성할 수도 있다. 이러한 나노선은 화학기상증착법(CVD), 아크를 이용한 합성법, 양극 알루미나(anodic aluminium oxide) 또는 폴리카보네이트 맴브레인 고분자 등을 이용한 template방법, 용액에서 열과 계면활성체를 이용한 solvothermal방법과 같이 나노선을 형성하는 방법에 대한 많이 기술들이 공지되어 있으므로 여기서는 자세한 설명을 생략한다.
감지전극(23) 상부에 단벽-탄소나노튜브를 형성하는 방법에 대하여 자세히 설명하면 다음과 같다.
공지된 기술을 이용하여 미리 제조된 단벽-탄소나노튜브 집합체를 디메틸포름아미드(dimethyl formamide, DMF)용매를 이용하여 용액에 분산시킨다. 이때, 용매로는 디메틸포름알미드 대신에 에탄올과 같은 일반적인 유기용제를 이용할 수 있으며, 용매와 단벽-탄소나노튜브 사이의 용해도가 낮아 분산이 잘 되지 않는 경우에는 초음파와 같은 물리적인 충격을 주어서 분산을 촉진시킬 수도 있다. 그 다음 단벽-탄소나노튜브가 분산된 용액을 감지전극(23) 상부에 이송한다. 이때, 이송방법은 drop coating(dispensing), spin coating, spay coating 또는 dip coating 중 어느 한 방법을 사용할 수 있다. 다음으로, 용매를 제거하기 위하여 온도 150℃ 진공상태에서 10시간 이상 방치하여 감지전극(23) 상부에 나노선 감지소재(24)로 단벽-탄소나노튜브를 형성할 수 있다.
다음으로, 나노선 감지소재(24)와 감지전극(23) 사이의 접촉특성을 향상시키기 위하여 열처리공정을 진행한다. 이때, 열처리는 300℃ 이상의 온도에서 실시할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 나노선 집합체를 이용하여 나노선 감지소재(23)를 형성함으로써, 나노선 센서를 대량생산할 수 있다.
또한, 본 발명은 감지전극(23) 사이에 트렌치(26)를 형성하여 나노선 감지소재가 감지전극(23) 사이에서 물리적으로 부양되도록 형성함으로써, 나노선 사이의 상호작용을 최소화하여 나노선 센서의 감지특성을 향상시킬 수 있으며, 나노선 감지소재(24)와 기판(21) 간의 접촉을 방지하여 나노선 센서의 감지특성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 비등방성 진공 증착법을 이용하여 감지전극(23)을 형성함으로써, 별도의 패터닝공정 없이 손쉽게 미세패턴을 갖는 감지전극(23)을 형성할 수 있으며, 이를 통하여 제조공정을 단순화하고 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 실리콘 기반의 상용화된 반도체 공정과의 호환성이 뛰어나 서 SOC(System-On-Chip)과 같은 응용 분야에 손쉽게 적용할 수 있는 효과가 있다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발병의 실시예에 따라 제작된 부양형 나노선 센서의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 이미지이다.
도 4a를 참조하면, 기판상에 두 개의 빗살형태의 구조를 갖는 감지전극이 서로 엇갈리도록 형성된 것을 알 수 있다. 여기서, 위쪽과 아래쪽에 수평방향으로 존재하는 선이 금속 섀도우 마스크에 의하여 금속이 증착된 부위와 그렇지 못한 부위를 나타낸다. 두 선 안쪽의 영역 전체가 비등방성 진공 증착법을 이용하여 감지전극으로 금(Au)이 형성된 부분이다.
도 4b를 참조하면, 제작된 센서의 트렌치 구조에 대한 치수를 나타내고 있는데, 감지전극 사이의 간격이 9um이고 트렌치 깊이가 36um임을 보여 준다. 도면상에서 명확히 구분하기 어렵지만, 절연막으로 알루미나 박막이 80nm 두께로 형성되어 있는것을 확인할 수 있다. 이때, 절연막의 전기전도도 측정과 기판 반사색을 통하여 절연막이 균일하게 형성되었는지 확인할 수 있다.
도 4c를 참조하면, 경사각 8°로 금(Au)을 비등방성 증착하여 형성된 감지전극을 보여준다. 여기서, 감지전극 좌측이 우측에 비하여 밝은데 이는 금(Au)이 좌측 방향에서 날아와서 증착되었음을 보여주고, 저항 측정을 통하여 감지전극 사이는 전기적으로 분리되었음을 확인하였다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 부양형 나노선 센서의 NO2 주입과 365nm UV 조사에 따른 저항 변화를 보여주는 그래프이다. 여기서, A-B 구간은 1ppm NO2 분자가 센서에 노출된 상황, B-C 구간은 건조 공기만 주입되는 상황, C-D는 UV광이 센서에 조사되는 상황, D-A`은 센서에 조사되는 UV광이 차단된 상황이고, A`-B` 구간에서 0.1ppm NO2 분자가 노출된 것을 제외하고는 A`-D`은 동일한 상황을 반복한 것이다.
도 5를 참조하면, 나노선 감지소재로 단벽-탄소나노튜브를 사용한 나노선 센서가 화학종에 대하여 p-type의 감지반응을 보이며, 화학종 농도변화에 따라 감지반응의 세기가 변화하는 것을 확인할 수 있다. 또한, UV광에 의하여 단벽-탄소나노튜브의 전기전도도가 증가함을 확인할 수 있다. 이는 UV에 의해 단벽-탄소나노튜브내에서 새로운 전하 이동체인 전자나 홀이 형성되었기 때문이다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위내의 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 나노선 센서의 구조를 도시한 단면도.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 부양형 나노선 센서를 도시한 사시도.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 부양형 나노선 센서를 도 2a에 도시된 X-X` 절취선을 따라 도시한 단면도.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 부양형 나노선 센서의 제조방법을 도시한 공정단면도.
도 4a 내지 도 4c는 본 발병의 실시예에 따라 제작된 부양형 나노선 센서의 주사전자현미경 이미지.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 부양형 나노선 센서의 NO2 주입과 365nm UV 조사에 따른 저항 변화를 보여주는 반응 곡선.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명
11, 21 : 기판 12, 22 : 절연층
13, 23 : 감지전극 14, 24: 나노선 감지소재

Claims (20)

  1. 기판 상부에 형성되며 상호 물리적으로 분리된 제1감지전극 및 제2감지전극; 및
    상기 제1감지전극으로부터 상기 제2감지전극으로 연장되어 형성되고, 상기 제1감지전극과 상기 제2감지전극 사이에서 물리적으로 부양되어 형성된 나노선 감지소재
    를 포함하는 부양형 나노선 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나노선 감지소재가 부양된 부분에 대응하는 상기 기판에는 트렌치가 형성된 부양형 나노선 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기판과 상기 제1감지전극 및 제2감지전극 사이에 형성된 절연막을 더 포함하는 부양형 나노선 센서.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노선 감지소재는 화학종 또는 빛에 반응하여 전기전도도가 변화하는 소재인 부양형 나노선 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘, GaAs, 유리, 플라스틱 및 세라믹으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나인 부양형 나노선 센서.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 트렌치는 폭에 대비하여 깊이가 큰 값을 갖는 부양형 나노선 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1감지전극 및 제2감지전극은 빗살형태를 갖고, 상기 빗살형태가 서로 엇갈린 구조를 갖는 부양형 나노선 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1감지전극과 상기 제2감지전극은 0.3um ~ 50um 범위의 간격을 갖는 부양형 나노선 센서.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 나노선 감지소재는 탄소, 실리콘, 텅스텐산화물, 주석산화물, 인듐산화물, 티타늄산화물 및 아연산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 한 물질이 1nm ~ 500nm 범위의 폭 및 1um ~ 100um 범위의 길이는 갖는 나노선을 포함하는 부양형 나노선 센서.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 나노선 감지소재는 1nm ~ 10nm 범위의 폭 및 1um ~ 100um 범위의 길이는 갖는 탄소나노튜브를 포함하는 부양형 나노선 센서.
  11. 기판 상부에 상호 물리적으로 분리된 제1감지전극 및 제2감지전극을 형성하는 단계; 및
    상기 제1감지전극으로부터 상기 제2감지전극으로 연장되고, 상기 제1감지전 극과 상기 제2감지전극 사이에서 물리적으로 부양되도록 나노선 감지소재를 형성하는 단계
    를 포함하는 부양형 나노선 센서의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1감지전극 및 제2감지전극을 형성하는 단계는,
    상기 기판을 선택적으로 식각하여 트렌치를 형성하는 단계; 및
    비등방성 진공 증착법을 이용하여 상기 트렌치로 인하여 돌출된 기판 상부에 상기 제1감지전극 및 제2감지전극을 형성하는 단계
    를 포함하는 부양형 나노선 센서의 제조방법.
  13. 제12에 있어서,
    상기 제1감지전극 및 제2감지전극은 금속 섀도우 마스크(metal shadow mask)를 이용하여 형성하는 부양형 나노선 센서의 제조방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 비등방성 진공 증착법은 전자빔증착법(Electron Beam Evaporation) 또 는 열증발증착법(Thermal Evaporation)을 포함하는 부양형 나노선 센서의 제조방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 트렌치는 폭에 대비하여 깊이가 큰 값을 갖도록 형성하는 부양형 나노선 센서의 제조방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 트렌치는 DRIE(deep reactive ion etch)방법으로 형성하는 부양형 나노선 센서의 제조방법.
  17. 제 11항에 있어서,
    상기 기판과 상기 제1감지전극 및 제2감지전극 사이에 절연막을 형성하는 단계를 더 포함하는 부양형 나노선 센서의 제조방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 절연막은 열산화법(thermal oxidation) 또는 원자층증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)중 어느 한 방법을 사용하여 형성하는 부양형 나노선 센서의 제조방법.
  19. 제 11항에 있어서,
    상기 나노선 감지소재를 형성하는 단계는,
    복수개의 나노선을 형성하는 단계;
    상기 복수개의 나노선을 용액에 분산하는 단계;
    상기 용액에 분산된 나노선을 상기 제1감지전극 및 제2감지전극 상부에 이송하는 단계; 및
    상기 용액을 제거하는 단계
    를 포함하는 부양형 나노선 센서의 제조방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 분산된 나노선을 상기 제1감지전극 및 제2감지전극 상부에 이송하는 단계는 drop coating, spin coating, spay coating 및 dip coating 으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 한 방법을 사용하는 부양형 나노선 센서의 제조방법.
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