KR20120129699A - Membrane for sensing hydrogen ion concentration and method for manufacturing the same - Google Patents

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KR20120129699A KR1020110048147A KR20110048147A KR20120129699A KR 20120129699 A KR20120129699 A KR 20120129699A KR 1020110048147 A KR1020110048147 A KR 1020110048147A KR 20110048147 A KR20110048147 A KR 20110048147A KR 20120129699 A KR20120129699 A KR 20120129699A
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Abstract

PURPOSE: A hydrogen ion concentration sensing film and a manufacturing method thereof are provided to include an aluminum oxide layer in a hydrogen ion concentration sensing film, thereby obtaining high sensitivity and excellent reliability. CONSTITUTION: A hydrogen ion concentration sensing film comprises a substrate(10), an oxide silicon layer(12), a hafnium oxide layer(14), and an aluminum oxide layer(16). The oxide silicon layer is formed on the substrate. The hafnium oxide layer is arranged on the oxide silicon layer. The aluminum oxide layer is arranged on the hafnium oxide layer.

Description

수소이온농도 감지막 및 그 제조 방법 {MEMBRANE FOR SENSING HYDROGEN ION CONCENTRATION AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}Hydrogen ion concentration sensing membrane and its manufacturing method {MEMBRANE FOR SENSING HYDROGEN ION CONCENTRATION AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 수소이온농도 감지막 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 높은 감도와 우수한 신뢰성을 가진 수소이온농도 감지막 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrogen ion concentration sensing film and a method of manufacturing the same. More specifically, the present invention relates to a hydrogen ion concentration sensing film having a high sensitivity and excellent reliability and a method of manufacturing the same.

용액에 포함된 수소이온농도(pH)를 검출하여 다양한 용액의 상태를 측정할 수 있다. 즉, 용액의 산성 또는 염기성 여부는 용액중의 수소이온농도를 측정함으로써 평가된다. 일반적으로는 수소이온농도 센서를 용액중에 침지하여 얻어지는 전위차를 이용하여 수소이온농도를 검출한다.The state of various solutions can be measured by detecting the pH (pH) contained in the solution. That is, whether the solution is acidic or basic is evaluated by measuring the concentration of hydrogen ions in the solution. Generally, hydrogen ion concentration is detected using the potential difference obtained by immersing a hydrogen ion concentration sensor in a solution.

수소이온농도 센서는 그 구조와 측정 방식에 따라 다양하게 나누어지지만, 모든 수소이온농도 센서는 수소이온농도 감지막을 포함한다는 점에서 공통점을 가진다. 수소이온농도 감지막은 수소이온농도 센서의 측정부에 구비되고, 이온과 사이트 바인딩(site binding)하여 수용액내의 전위를 변화시킨다.The hydrogen ion concentration sensor is divided in various ways according to its structure and measuring method, but all hydrogen ion concentration sensors have a common point in that they include a hydrogen ion concentration sensing film. The hydrogen ion concentration sensing membrane is provided in the measurement unit of the hydrogen ion concentration sensor, and site-bound with ions to change the potential in the aqueous solution.

높은 감도와 우수한 신뢰성을 가진 수소이온농도 감지막을 제공하고자 한다. 또한, 전술한 수소이온농도 감지막의 제조 방법을 제공하고자 한다.To provide a hydrogen ion concentration sensing membrane having high sensitivity and excellent reliability. In addition, an object of the present invention is to provide a method for producing a hydrogen ion concentration sensing film.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소이온농도 감지막은, i) 기판, ii) 기판 위에 위치한 산화실리콘층, iii) 산화실리콘층 위에 위치한 산화하프늄층, 및 iv) 산화하프늄층 위에 위치한 산화알루미늄층을 포함한다.The hydrogen ion concentration sensing film according to an embodiment of the present invention comprises: i) a substrate, ii) a silicon oxide layer on the substrate, iii) a hafnium oxide layer on the silicon oxide layer, and iv) an aluminum oxide layer on the hafnium oxide layer. Include.

산화실리콘층(SiO2)의 두께는 10nm 내지 1000nm일 수 있다. 산화하프늄층(HfO2)의 두께는 10nm 내지 1000nm일 수 있다. 산화알루미늄층(Al2O3)의 두께는 10nm 내지 1000nm일 수 있다. 기판은 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 갈륨(Ga), 비소(As), 산화알루미늄(Al2O3) 및 실리콘 카바이드(SiC)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 소재로 제조할 수 있다.The thickness of the silicon oxide layer (SiO 2 ) may be 10 nm to 1000 nm. The thickness of the hafnium oxide layer HfO 2 may be 10 nm to 1000 nm. The thickness of the aluminum oxide layer (Al 2 O 3 ) may be 10nm to 1000nm. The substrate may be made of one or more materials selected from the group consisting of silicon (Si), germanium (Ge), gallium (Ga), arsenic (As), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and silicon carbide (SiC).

본 발명의 다른 실시예에 따른 수소이온농도 감지막의 제조 방법은, i) 기판을 제공하는 단계, ii) 기판 위에 산화실리콘층(SiO2)을 제공하는 단계, iii) 산화실리콘층(SiO2) 위에 산화하프늄층(HfO2)을 제공하는 단계, 및 v) 화하프늄층(HfO2) 위에 산화알루미늄층(Al2O3)을 제공하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a hydrogen ion concentration sensing film, i) providing a substrate, ii) providing a silicon oxide layer (SiO 2 ) on a substrate, iii) a silicon oxide layer (SiO 2 ) It includes the step of providing a hafnium layer (HfO 2) oxidation over, and v) screen providing a hafnium layer (HfO 2) layer of aluminum (Al 2 O 3) on the oxide.

본 발명의 다른 실시예에 따른 수소이온농도 감지막의 제조 방법은, 기판, 산화실리콘층(SiO2), 산화하프늄층(HfO2) 및 산화알루미늄층(Al2O3)을 100℃ 내지 500℃에서 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소이온농도 감지막의 제조 방법은 산화실리콘층(SiO2)을 제공한 후, 기판 및 산화실리콘층(SiO2)을 300℃ 내지 1050℃에서 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소이온농도 감지막의 제조 방법은 산화하프늄층(HfO2)을 제공한 후, 기판, 산화실리콘층(SiO2) 및 산화하프늄층(HfO2)을 300℃ 내지 1050℃에서 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소이온농도 감지막의 제조 방법은 산화알루미늄(Al2O3)을 제공한 후, 기판, 산화실리콘층(SiO2), 산화하프늄층(HfO2) 및 산화알루미늄(Al2O3)을 300℃ 내지 1050℃에서 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to another exemplary embodiment of the present invention, a method for manufacturing a hydrogen ion concentration sensing film includes a substrate, a silicon oxide layer (SiO 2 ), a hafnium oxide layer (HfO 2 ), and an aluminum oxide layer (Al 2 O 3 ). It may further comprise the step of heat treatment in. In addition, according to another embodiment of the present invention, a method for manufacturing a hydrogen ion concentration sensing film may include providing a silicon oxide layer (SiO 2 ), and then heat treating the substrate and the silicon oxide layer (SiO 2 ) at 300 ° C. to 1050 ° C. It may further include. According to another embodiment of the present invention, a method of manufacturing a hydrogen ion concentration sensing film is provided with a hafnium oxide layer (HfO 2 ), and then a substrate, a silicon oxide layer (SiO 2 ), and a hafnium oxide layer (HfO 2 ) are 300 ° C. to 1050. It may further comprise the step of heat treatment at ℃. According to another embodiment of the present invention, a method of manufacturing a hydrogen ion concentration sensing film is provided with aluminum oxide (Al 2 O 3 ), followed by a substrate, a silicon oxide layer (SiO 2 ), a hafnium oxide layer (HfO 2 ), and an aluminum oxide ( It may further comprise the step of heat-treating Al 2 O 3 ) at 300 ℃ to 1050 ℃.

본 발명의 다른 실시예에 따른 수소이온농도 감지막의 제조 방법은 산화실리콘층(SiO2)을 제공하는 단계에서, 산화실리콘층(SiO2)은 열산화(thermal oxidation), 스퍼터링(sputtering), 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD) 또는 화학기상증착(chemical vapor deposition, CVD)에 의해 제공될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소이온농도 감지막의 제조 방법은 산화하프늄층(HfO2)을 제공하는 단계에서, 산화하프늄층(HfO2)은 스퍼터링, 원자층 증착법 또는 화학기상증착에 의해 제공될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소이온농도 감지막의 제조 방법은 산화알루미늄층(Al2O3)을 제공하는 단계에서, 산화알루미늄층(Al2O3)은 스퍼터링, 원자층 증착법 또는 화학기상증착에 의해 제공될 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for producing a hydrogen ion concentration sensing film, in which a silicon oxide layer (SiO 2 ) is provided, wherein the silicon oxide layer (SiO 2 ) is thermally oxidized, sputtered, and atoms. It may be provided by atomic layer deposition (ALD) or chemical vapor deposition (CVD). According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a hydrogen ion concentration sensing film, in which a hafnium oxide layer (HfO 2 ) is provided, and the hafnium oxide layer (HfO 2 ) is provided by sputtering, atomic layer deposition, or chemical vapor deposition. Can be. The pH sensing membrane production process according to another embodiment of the present invention is an aluminum oxide layer (Al 2 O 3) in the step of providing an aluminum layer (Al 2 O 3) oxide sputtering, atomic layer deposition or chemical vapor deposition May be provided by

본 발명의 일 실시예에 따른 수소이온농도 감지막은 산화알루미늄층 등을 포함하므로, 수용액내에서 높은 감도와 우수한 신뢰성을 가진다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소이온농도 감지막은 그 제조 공정이 간단할 뿐만 아니라 희토류 금속에 비해 낮은 제조 비용이 소모된다. 그리고 감도, 드리프트 및 이력현상 등의 특성들이 모두 균일하게 나타난다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소이온농도 감지막에서 각 층들과 기판과의 계면 접합 상태가 양호하다.Since the hydrogen ion concentration detection film according to an embodiment of the present invention includes an aluminum oxide layer or the like, it has high sensitivity and excellent reliability in an aqueous solution. In addition, the hydrogen ion concentration sensing film according to an embodiment of the present invention not only has a simple manufacturing process but also consumes a lower manufacturing cost than the rare earth metal. And the characteristics such as sensitivity, drift and hysteresis are all uniform. In addition, in the hydrogen ion concentration sensing film according to an embodiment of the present invention, the interface bonding state between each layer and the substrate is good.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소이온농도 감지막의 개략적인 부분 입체 단면도이다.
도 2는 도 1의 수소이온농도 감지막의 제조 방법의 개략적인 순서도이다.
도 3은 도 1의 수소이온농도 감지막을 구비한 수소이온농도 센서의 개략적인 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 각각 실험예, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조한 수소이온농도 감지막의 단면 구조의 투과전자현미경(transmission elctron microscope, TEM) 사진이다.
도 5a 내지 도 5c는 각각 실험예, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조한 수소이온농도 감지막의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 6은 실험예, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조한 수소이온농도 감지막의 감도 특성을 나타낸 그래프이다.
도 7은 실험예, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조한 수소이온농도 감지막의 드리프트 특성을 나타낸 그래프이다.
도 8은 실험예, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조한 수소이온농도 감지막의 이력현상을 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic partial stereoscopic cross-sectional view of a hydrogen ion concentration sensing film according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic flowchart of a method of manufacturing the hydrogen ion concentration sensing film of FIG. 1.
FIG. 3 is a schematic diagram of a hydrogen ion concentration sensor having a hydrogen ion concentration sensing film of FIG. 1.
4A to 4C are transmission electron microscope (TEM) photographs of cross-sectional structures of hydrogen ion concentration sensing membranes prepared according to Experimental Examples, Comparative Examples 1 and 2, respectively.
5A to 5C are energy band diagrams of hydrogen ion concentration sensing membranes prepared according to Experimental Example, Comparative Example 1 and Comparative Example 2, respectively.
6 is a graph showing the sensitivity characteristics of the hydrogen ion concentration detection film prepared according to Experimental Example, Comparative Example 1 and Comparative Example 2.
7 is a graph showing drift characteristics of the hydrogen ion concentration sensing film prepared according to Experimental Example, Comparative Example 1 and Comparative Example 2.
8 is a graph showing the hysteresis of the hydrogen ion concentration sensing film prepared according to Experimental Example, Comparative Example 1 and Comparative Example 2.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to limit the invention. As used herein, the singular forms “a,” “an,” and “the” include plural forms as well, unless the phrases clearly indicate the opposite. As used herein, the term "comprising" embodies a particular characteristic, region, integer, step, operation, element, and / or component, and other specific characteristics, region, integer, step, operation, element, component, and / or group. It does not exclude the presence or addition of.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms including technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Commonly used predefined terms are further interpreted as having a meaning consistent with the relevant technical literature and the present disclosure, and are not to be construed as ideal or very formal meanings unless defined otherwise.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소이온농도 감지막(100)을 부분 분해하여 개략적으로 나타낸 입체 단면도이다. 도 1의 수소이온농도 감지막(100)의 분해 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 수소이온농도 감지막(100)의 구조를 다른 형태로도 변형할 수 있다.1 is a three-dimensional cross-sectional view schematically showing a partial decomposition of the hydrogen ion concentration detection film 100 according to an embodiment of the present invention. The decomposition structure of the hydrogen ion concentration detecting film 100 of FIG. 1 is merely to illustrate the present invention, but the present invention is not limited thereto. Therefore, the structure of the hydrogen ion concentration sensing film 100 may be modified in other forms.

도 1에 도시한 바와 같이, 수소이온농도 감지막(100)은 기판(10), 산화실리콘층(SiO2)(12), 산화하프늄층(HfO2)(14) 및 산화알루미늄층(Al2O3)(16)을 포함한다. 이외에, 필요에 따라 수소이온농도 감지막(100)은 다른 소자들을 더 포함할 수 있다.As shown in FIG. 1, the hydrogen ion concentration sensing film 100 includes a substrate 10, a silicon oxide layer (SiO 2 ) 12, a hafnium oxide layer (HfO 2 ) 14, and an aluminum oxide layer (Al 2). O 3 ) (16). In addition, the hydrogen ion concentration sensing film 100 may further include other elements as necessary.

기판(10)은 반도체 또는 절연체로 제조할 수 있다. 좀더 구체적으로, 기판(10)의 소재로서 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 갈륨(Ga), 비소(As), 산화알루미늄(Al2O3), 실리콘 카바이드(SiC) 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 이들 소재들을 도핑함으로써 n형 반도체 또는 p형 반도체로 된 기판(10)을 제조할 수 있다.The substrate 10 may be made of a semiconductor or an insulator. More specifically, the material of the substrate 10 may be silicon (Si), germanium (Ge), gallium (Ga), arsenic (As), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silicon carbide (SiC) or a mixture thereof. Can be used. By doping these materials, the substrate 10 made of an n-type semiconductor or a p-type semiconductor can be manufactured.

한편, 기판(10) 위에는 산화실리콘층(SiO2)(12)을 제공한다. 산화실리콘층(SiO2)(12)을 사용함으로써 기판(10)과의 밀착성이 좋지 않은 산화하프늄층(HfO2)(14)과의 밀착성을 크게 향상시킬 수 있다. 여기서, 산화실리콘층(SiO2)(12)의 두께(t12)는 10nm 내지 1000nm일 수 있다. 산화실리콘층(SiO2)(12)의 두께(t12)가 너무 큰 경우, 산화실리콘층(SiO2)(12)의 제조 비용 및 제조 시간이 크게 증가한다. 또한, 산화실리콘층(SiO2)(12)의 두께(t12)가 너무 작은 경우, 기판(10)과 산화하프늄층(HfO2)(14)이 실질적으로 상호 접할 수 있으므로, 양자간의 접착성이 좋지 않아 박리 현상이 발생할 수 있다. 따라서 산화실리콘층(SiO2)(12)의 두께(t12)를 전술한 범위로 조절한다.Meanwhile, a silicon oxide layer (SiO 2 ) 12 is provided on the substrate 10. By using the silicon oxide layer (SiO 2 ) 12, the adhesion with the hafnium oxide layer (HfO 2 ) 14 having poor adhesion with the substrate 10 can be greatly improved. Here, the thickness t12 of the silicon oxide layer (SiO 2 ) 12 may be 10 nm to 1000 nm. When the thickness t12 of the silicon oxide layer (SiO 2 ) 12 is too large, the manufacturing cost and manufacturing time of the silicon oxide layer (SiO 2 ) 12 are greatly increased. In addition, when the thickness t12 of the silicon oxide layer (SiO 2 ) 12 is too small, the substrate 10 and the hafnium oxide layer (HfO 2 ) 14 may be substantially in contact with each other. It is not good and peeling phenomenon may occur. Therefore, the thickness t12 of the silicon oxide layer (SiO 2 ) 12 is adjusted in the above-described range.

산화실리콘층(SiO2)(12) 위에는 산화하프늄층(HfO2)(14)을 제공한다. 산화하프늄층(HfO2)(14)은 수용액의 이온 농도가 변하는 경우, 변화하는 전위를 기판(10)까지 효율적으로 전달한다. 여기서, 산화하프늄층(HfO2)(14)의 두께(t14)는 10nm 내지 1000nm일 수 있다. 산화하프늄층(HfO2)(14)의 두께(t14)가 너무 크거나 작은 경우, 수용액의 이온 농도가 변하시 변화하는 전위를 기판(10)까지 효율적으로 전달할 수 없다. 따라서 전술한 범위로 산화하프늄층(HfO2)(14)의 두께(t14)를 조절한다. 산화하프늄층(HfO2)(14)은 산화실리콘층(SiO2)(12) 위에 증착되어 형성할 수 있다. 증착을 통하여 산화실리콘층(SiO2)(12)과 산화하프늄층(HfO2)(14)의 계면 밀착성을 향상시킬 수 있다. A hafnium oxide layer (HfO 2 ) 14 is provided over the silicon oxide layer (SiO 2 ) 12. The hafnium oxide layer (HfO 2 ) 14 efficiently transfers the changing potential to the substrate 10 when the ion concentration of the aqueous solution changes. Here, the thickness t14 of the hafnium oxide layer (HfO 2 ) 14 may be 10 nm to 1000 nm. When the thickness t14 of the hafnium oxide layer (HfO 2 ) 14 is too large or too small, the potential that changes when the ion concentration of the aqueous solution changes may not be efficiently transferred to the substrate 10. Therefore, the thickness t14 of the hafnium oxide layer (HfO 2 ) 14 is adjusted in the above-described range. The hafnium oxide layer (HfO 2 ) 14 may be formed by depositing on the silicon oxide layer (SiO 2 ) 12. Through deposition, the interfacial adhesion between the silicon oxide layer (SiO 2 ) 12 and the hafnium oxide layer (HfO 2 ) 14 may be improved.

도 1에 도시한 바와 같이, 산화하프늄층(HfO2)(14) 위에는 산화알루미늄층(Al2O3)(16)을 제공한다. 산화알루미늄층(Al2O3)(16)은 화학적으로 안정하므로, 수소이온농도 감지막(100)이 수용액에 침지되는 경우에도 수소이온농도 감지막(100)의 열화 또는 이온 감지 성능을 보호할 수 있다. 이를 위하여 산화알루미늄층(Al2O3)(16)의 두께(t16)를 10nm 내지 1000nm로 조절할 수 있다. 산화알루미늄층(Al2O3)(16)의 두께(t16)가 너무 작은 경우, 수용액에 대한 화학적인 안정도가 현저하게 저하된다. 또한, 산화알루미늄층(Al2O3)(16)의 두께(t16)가 너무 큰 경우, 산화알루미늄층(Al2O3)(16)의 제조 비용이 증가한다. 따라서 산화알루미늄층(Al2O3)(16)의 두께(t16)를 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직하다. 한편, 산화알루미늄층(Al2O3)(16)은 산화하프늄층(HfO2)(14) 위에 증착되어 형성할 수 있다. 증착을 통하여 산화알루미늄층(Al2O3)(16)의 산화하프늄층(HfO2)(14)의 계면 밀착성을 향상시킬 수 있다.As shown in FIG. 1, an aluminum oxide layer (Al 2 O 3 ) 16 is provided over the hafnium oxide layer (HfO 2 ) 14. Since the aluminum oxide layer (Al 2 O 3 ) 16 is chemically stable, even when the hydrogen ion concentration sensing membrane 100 is immersed in an aqueous solution, the degradation or ion sensing performance of the hydrogen ion concentration sensing membrane 100 may be protected. Can be. To this end, the thickness t16 of the aluminum oxide layer (Al 2 O 3 ) 16 may be adjusted to 10 nm to 1000 nm. When the thickness t16 of the aluminum oxide layer (Al 2 O 3 ) 16 is too small, the chemical stability with respect to the aqueous solution is significantly lowered. In addition, when the thickness t16 of the aluminum oxide layer (Al 2 O 3 ) 16 is too large, the manufacturing cost of the aluminum oxide layer (Al 2 O 3 ) 16 increases. Therefore, it is preferable to adjust the thickness t16 of the aluminum oxide layer (Al 2 O 3 ) 16 to the above-mentioned range. Meanwhile, the aluminum oxide layer (Al 2 O 3 ) 16 may be deposited on the hafnium oxide layer (HfO 2 ) 14. Through vapor deposition, the interfacial adhesion of the hafnium oxide layer (HfO 2 ) 14 of the aluminum oxide layer (Al 2 O 3 ) 16 can be improved.

전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소이온농도 감지막(100)에서는 고유전율(highK)의 물질 또는 희토류 원소를 사용하는 대신에 전술한 소재들을 사용한다. 그 결과, 수소이온농도 감지막(100)의 제조 원가가 절감되고, 기판(10)과 다른 층들과의 밀착성을 높일 수 있다. 이하에서는 도 2를 통하여 도 1의 수소이온농도 감지막(100)의 제조 방법을 좀더 상세하게 설명한다.As described above, the hydrogen ion concentration sensing film 100 according to an embodiment of the present invention uses the aforementioned materials instead of using a material having a high dielectric constant (K) or a rare earth element. As a result, the manufacturing cost of the hydrogen ion concentration sensing film 100 can be reduced, and the adhesion between the substrate 10 and other layers can be improved. Hereinafter, a method of manufacturing the hydrogen ion concentration sensing film 100 of FIG. 1 will be described in more detail with reference to FIG. 2.

도 2는 도 1의 수소이온농도 감지막(100)의 개략적인 제조 방법을 순차적을 나타낸다. 도 2의 수소이온농도 감지막의 제조 방법은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 도 2의 수소이온농도 감지막의 제조 방법을 다양한 형태로 변형시킬 수 있다.2 illustrates a schematic manufacturing method of the hydrogen ion concentration sensing film 100 of FIG. 1. The method for producing the hydrogen ion concentration detecting film of FIG. 2 is merely for illustrating the present invention, and the present invention is not limited thereto. Therefore, the method of manufacturing the hydrogen ion concentration sensing film of FIG. 2 may be modified in various forms.

도 2에 도시한 바와 같이, 단계(S10)에서는 기판을 제공한다. 기판은 웨이퍼 형태의 박판으로 제공될 수 있다. As shown in FIG. 2, in step S10, a substrate is provided. The substrate may be provided in a thin sheet in the form of a wafer.

다음으로, 단계(S20)에서는 기판 위에 산화실리콘층을 제공한다. 여기서, 산화실리콘층은 열산화(thermal oxidation), 스퍼터링(sputtering), 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD) 또는 화학기상증착(chemical vapor deposition, CVD) 등의 방법을 이용하여 형성될 수 있다.Next, in step S20, a silicon oxide layer is provided on the substrate. Here, the silicon oxide layer may be formed using a method such as thermal oxidation, sputtering, atomic layer deposition (ALD) or chemical vapor deposition (CVD).

그리고 단계(S30)에서는 산화실리콘층 위에 산화하프늄층을 제공한다. 여기서, 산화하프늄층은 스퍼터링, 원자층 증착법 또는 화학기상증착 등을 통하여 형성될 수 있다.In operation S30, a hafnium oxide layer is provided on the silicon oxide layer. Here, the hafnium oxide layer may be formed through sputtering, atomic layer deposition, or chemical vapor deposition.

단계(S40)에서는 산화하프늄층 위에 산화알루미늄층을 제공한다. 여기서, 산화알루미늄층은 스퍼터링, 원자층 증착법 또는 화학기상증착 등을 통하여 형성될 수 있다.In step S40, an aluminum oxide layer is provided on the hafnium oxide layer. Here, the aluminum oxide layer may be formed through sputtering, atomic layer deposition, or chemical vapor deposition.

마지막으로, 단계(S50)에서는 기판, 산화실리콘층, 산화하프늄층, 및 산화알루미늄층을 열처리한다. 즉, 차례로 적층된 기판, 산화실리콘층, 산화하프늄층, 및 산화알루미늄층을 모두 100℃ 내지 500℃에서 열처리한다. 전술한 열처리 온도가 너무 낮거나 너무 높은 경우, 산화실리콘층, 산화하프늄층, 및 산화알루미늄층의 특성이 효율적으로 발휘될 수 없다.Finally, in step S50, the substrate, the silicon oxide layer, the hafnium oxide layer, and the aluminum oxide layer are heat treated. That is, the substrate, the silicon oxide layer, the hafnium oxide layer, and the aluminum oxide layer which are sequentially stacked are all heat treated at 100 ° C to 500 ° C. If the aforementioned heat treatment temperature is too low or too high, the properties of the silicon oxide layer, hafnium oxide layer, and aluminum oxide layer cannot be exhibited efficiently.

한편, 도 2에는 도시하지 않았지만, 도 2의 각 단계들(S20, S30, S40)에서 산화실리콘층, 산화하프늄층 및 산화알루미늄층을 제공한 후 열처리할 수도 있다. 이 경우의 각 단계들(S20, S30, S40)의 열처리 온도는 300℃ 내지 1050℃일 수 있다. 열처리 온도가 너무 낮은 경우, 산화실리콘층, 산화하프늄층 및 산화알루미늄층이 상호 잘 부착되지 않을 수 있다. 또한, 열처리 온도가 너무 높은 경우, 산화실리콘층, 산화하프늄층 및 산화알루미늄층이 열화될 수 있다. 따라서 열처리 온도를 전술한 범위로 조절한다.Although not shown in FIG. 2, the silicon oxide layer, the hafnium oxide layer, and the aluminum oxide layer may be heat-treated after the steps S20, S30, and S40 of FIG. 2. In this case, the heat treatment temperatures of the steps S20, S30, and S40 may be 300 ° C. to 1050 ° C. If the heat treatment temperature is too low, the silicon oxide layer, the hafnium oxide layer and the aluminum oxide layer may not adhere well to each other. In addition, when the heat treatment temperature is too high, the silicon oxide layer, hafnium oxide layer, and aluminum oxide layer may deteriorate. Therefore, the heat treatment temperature is adjusted to the above range.

도 3은 도 1의 수소이온농도 감지막(100)을 구비한 수소이온농도 센서(1000)를 개략적으로 나타낸다. 도 3의 수소이온농도 센서(1000)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 도 3의 수소이온농도 센서(1000)의 구조를 다르게 변형시킬 수 있다.FIG. 3 schematically shows a hydrogen ion concentration sensor 1000 having the hydrogen ion concentration sensing film 100 of FIG. 1. The structure of the hydrogen ion concentration sensor 1000 of FIG. 3 is merely for illustrating the present invention, and the present invention is not limited thereto. Therefore, the structure of the hydrogen ion concentration sensor 1000 of FIG. 3 may be modified differently.

도 3에 도시한 바와 같이, 수소이온농도 센서(1000)는 수소이온농도 감지막(100), 제1 전극(20), 제2 전극(30), 챔버(40), 및 전압계(50)를 포함한다. 이외에, 필요에 따라 수소이온농도 센서(1000)는 다른 부품들을 더 포함할 수 있다.As shown in FIG. 3, the hydrogen ion concentration sensor 1000 includes a hydrogen ion concentration detecting film 100, a first electrode 20, a second electrode 30, a chamber 40, and a voltmeter 50. Include. In addition, the hydrogen ion concentration sensor 1000 may further include other components as necessary.

제1 전극(20)은 수소이온농도 감지막(100)의 아래에 기준 전극으로서 기능하도록 Ag/AgCl을 페이스트로 도포하여 제조할 수 있다. 한편, 수소이온농도 감지막(100)의 위에 형성된 제2 전극(30)은 전기적인 연결을 위해 알루미늄(Al) 등을 전자빔으로 증착시켜 형성할 수 있다. 제2 전극(30)은 수용액(L)과 접촉하여 제1 전극(20)과 전위차를 발생시키고, 그 전위차는 제1 전극(20) 및 제2 전극(30)과 상호 전기적으로 연결된 전압계(50)의해 측정된다. 한편, 수용액(L)이 새지 않으면서 안정적으로 유지되도록 챔버(40)를 제1 전극(20) 위에 형성하고, 챔버(40)와 제1 전극(20)의 틈을 밀봉시킨다. 그 결과, 수용액(L)이 외부로 유출될 가능성이 없다. 이를 위하여 챔버(40)는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 등의 수지 소재로 제조할 수 있다. 따라서 수용액(L)은 제1 전극(20)과 안정적으로 접촉하므로, 수소이온농도의 측정 환경을 안정적으로 유지할 수 있다.The first electrode 20 may be manufactured by applying Ag / AgCl with a paste to function as a reference electrode under the hydrogen ion concentration sensing film 100. Meanwhile, the second electrode 30 formed on the hydrogen ion concentration detecting film 100 may be formed by depositing aluminum (Al) with an electron beam for electrical connection. The second electrode 30 contacts the aqueous solution L to generate a potential difference with the first electrode 20, and the potential difference is a voltmeter 50 electrically connected to the first electrode 20 and the second electrode 30. Is measured. Meanwhile, the chamber 40 is formed on the first electrode 20 so that the aqueous solution L is stably maintained without leaking, and the gap between the chamber 40 and the first electrode 20 is sealed. As a result, there is no possibility that the aqueous solution L flows out. To this end, the chamber 40 may be made of a resin material such as polydimethylsiloxane (PDMS). Therefore, since the aqueous solution L contacts the first electrode 20 stably, it is possible to stably maintain the measurement environment of the hydrogen ion concentration.

이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to experimental examples. These experimental examples are only for illustrating the present invention, and the present invention is not limited thereto.

실험예Experimental Example

본 발명의 실험예에서는 SiO2HfO2Al2O3 (OHA)로 된 수소이온농도 감지막을 구비한 EIS(electrolyteinsulatorsemiconductor) 센서를 제조하여 실험하였다. 여기서, EIS 센서의 구조는 도 3에 도시한 수소이온농도 센서의 구조와 동일하게 하였다. 수소이온농도 센서를 제조하기 위해 먼저, 붕소를 1×1015cm3으로 p형 도핑한 550㎛ 두께의 (100)면을 가지는 단결정 실리콘 웨이퍼로 기판을 제조하였다. 그리고 기판을 열산화시켜서 5nm 두께의 산화실리콘층(SiO2)을 형성하였다. 다음으로, 산화하프늄층(HfO2) 및 산화알루미늄층(Al2O3)을 ALD법에 의해 차례로 증착시켜 각각 7.8nm 및 13.6nm의 두께가 되도록 함으로써 수소이온농도 감지막을 제조하였다. 그리고 제조한 수소이온농도 감지막을 850℃의 질소와 산소의 혼합가스 분위기에서 30초간 급속 열처리한 후 450℃의 질소와 수소의 혼합가스 분위기에서 30분간 열처리하였다. 다음으로, 기판의 후면에 전압을 인가하기 위하여 전자빔 증발기(ebeam evaporator)를 통해 300nm 두께로 증착한 알루미늄(Al) 전극을 제조하였다. 한편, 산화알루미늄층(Al2O3) 위에는 기준전극으로서 Ag/AgCl 전극을 페이스트 인쇄하여 부착하였다. Ag/AgCl 전극 위에 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)으로 챔버를 제조하고, 챔버에 수용액을 주입하였다. 수용액의 pH는 실험 조건에 따라 조금씩 변화시켰다. 그리고 Ag/AgCl 전극과 알루미늄(Al) 전극을 전선을 통해 전기적으로 전압계와 연결한 후 양 전극간의 전위차를 측정하였다.In the experimental example of the present invention, an experiment was performed to prepare an electrolysinssemiconductor (EIS) sensor having a hydrogen ion concentration sensing film of SiO 2 HfO 2 Al 2 O 3 (OHA). Here, the structure of the EIS sensor was the same as that of the hydrogen ion concentration sensor shown in FIG. In order to manufacture a hydrogen ion concentration sensor, a substrate was first manufactured from a single crystal silicon wafer having a (100) plane having a thickness of 550 μm p-doped with boron at 1 × 10 15 cm 3 . The substrate was thermally oxidized to form a silicon oxide layer (SiO 2 ) having a thickness of 5 nm. Next, a hafnium oxide layer (HfO 2 ) and an aluminum oxide layer (Al 2 O 3 ) were sequentially deposited by the ALD method so as to have a thickness of 7.8 nm and 13.6 nm, respectively, to prepare a hydrogen ion concentration sensing film. The prepared hydrogen ion concentration sensing film was rapidly heat-treated for 30 seconds in a mixed gas atmosphere of nitrogen and oxygen at 850 ° C., and then heat-treated in a mixed gas atmosphere of nitrogen and hydrogen at 450 ° C. for 30 minutes. Next, an aluminum (Al) electrode deposited to a thickness of 300 nm was manufactured through an electron beam evaporator to apply a voltage to the rear surface of the substrate. On the other hand, an Ag / AgCl electrode was paste printed onto the aluminum oxide layer (Al 2 O 3 ) as a reference electrode. A chamber was made of polydimethylsiloxane (PDMS) on the Ag / AgCl electrode, and an aqueous solution was injected into the chamber. The pH of the aqueous solution was changed little by little depending on the experimental conditions. After the Ag / AgCl electrode and the aluminum (Al) electrode were electrically connected to the voltmeter through a wire, the potential difference between the two electrodes was measured.

비교예Comparative example 1 One

전술한 실험예와의 비교를 위하여 실험예의 수소이온농도 감지막과 상이한 수소이온농도 감지막을 제조하였다. 실험예의 기판 위에 스퍼터를 이용해 증착시켜 약 28.2nm 두께의 SiO2 층을 형성하였다. 나머지 실험 조건은 전술한 실험예와 동일하였다. 이러한 실험을 통하여 SiO2 (O)로 된 수소이온농도 감지막을 구비한 EIS 센서를 제조하였다.For comparison with the above experimental example, a hydrogen ion concentration sensing film different from the hydrogen ion concentration sensing film of the experimental example was prepared. SiO 2 having a thickness of about 28.2 nm was deposited on the substrate of the experiment by sputtering. A layer was formed. The remaining experimental conditions were the same as the above-described experimental example. Through these experiments, an EIS sensor having a hydrogen ion concentration sensing film of SiO 2 (O) was prepared.

비교예Comparative example 2 2

전술한 실험예와의 비교를 위하여 실험예의 수소이온농도 감지막과 상이한 수소이온농도 감지막을 제조하였다. 실험예의 기판 위에 스퍼터를 이용해 증착시켜 약 5nm 두께의 SiO2 층을 형성하였다. 다음으로, 스퍼터를 이용해 SiO2 층위에 약 22.5nm 두께의 Si3N4 층을 형성하였다. 나머지 실험 조건은 전술한 실험예와 동일하였다. 이러한 실험을 통하여 SiO2Si3N4 (ON)으로 된 수소이온농도 감지막을 구비한 EIS 센서를 제조하였다.For comparison with the above experimental example, a hydrogen ion concentration sensing film different from the hydrogen ion concentration sensing film of the experimental example was prepared. SiO 2 with a thickness of about 5 nm by sputtering on the substrate of the Experimental Example A layer was formed. Next, using a sputtered SiO 2 22.5 nm thick Si 3 N 4 on the layer A layer was formed. The remaining experimental conditions were the same as the above-described experimental example. Through these experiments, SiO 2 Si 3 N 4 An EIS sensor having a hydrogen ion concentration sensing film of (ON) was prepared.

실험결과Experiment result

투과전자현미경 사진Transmission electron micrograph

도 4a 내지 도 4c는 각각 실험예, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 수소이온농도 감지막의 단면의 투과전자현미경 사진을 나타낸다. 도 4a 내지 도 4c에 도시한 바와 같이, 각각 균일한 두께를 가지는 수소이온농도 감지막들이 형성된 것을 알 수 있었다.4A to 4C show transmission electron micrographs of cross sections of the hydrogen ion concentration sensing membrane according to Experimental Example, Comparative Example 1 and Comparative Example 2, respectively. As shown in Figures 4a to 4c, it can be seen that the hydrogen ion concentration sensing films having a uniform thickness, respectively.

에너지 밴드Energy band

도 5a 내지 도 5c는 각각 실험예, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 수소이온농도 감지막의 에너지 밴드를 나타낸다. 도 5a에 도시한 실험예에 따라 제조한 수소이온농도 감지막에서는 그 밴드의 유효 두께가 얇았고, Al2O3 층이 수용액에 잘 견디었다. 그 결과, 수소이온농도 감지막의 감도가 높은 것으로 판단되었다. 따라서 실험예의 수소이온농도 감지막을 이용하여 신뢰성이 우수한 수소이온농도 센서를 제조할 수 있는 것으로 판단되었다.5A to 5C show energy bands of the hydrogen ion concentration sensing film according to Experimental Example, Comparative Example 1 and Comparative Example 2, respectively. In the hydrogen ion concentration sensing membrane prepared according to the experimental example shown in FIG. 5a, the effective thickness of the band was thin, and Al 2 O 3 The layer was well tolerated with aqueous solution. As a result, it was judged that the sensitivity of the hydrogen ion concentration sensing film was high. Therefore, it was judged that a reliable hydrogen ion concentration sensor could be manufactured using the hydrogen ion concentration sensing film of the experimental example.

이와는 대조적으로, 비교예 1의 수소이온농도 감지막에서는 그 밴드의 유효 두께가 커서 수용액의 이온 농도에 의해 변하는 전위를 기판까지 전달하기 어려운 것으로 판단되었다. 또한, 비교예 2의 수소이온농도 감지막에서는 그 밴드의 유효 두께가 얇아서 전위를 기판까지 효율적으로 전달할 수 있는 것으로 판단되었다. 그러나 Si3N4 층의 특성이 수용액에 의해 열화되는 문제점이 나타났다.In contrast, in the hydrogen ion concentration sensing membrane of Comparative Example 1, it was determined that the effective thickness of the band was so large that it was difficult to transfer the potential changed by the ion concentration of the aqueous solution to the substrate. In addition, in the hydrogen ion concentration sensing film of Comparative Example 2, it was determined that the effective thickness of the band was thin so that the potential could be efficiently transferred to the substrate. However, there was a problem that the properties of the Si 3 N 4 layer is degraded by the aqueous solution.

감도 특성Sensitivity characteristics

도 6은 실험예, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조한 수소이온농도 감지막의 감도 특성을 나타낸다. 도 6에 도시한 전압에 따른 커패시턴스의 변화를 관찰하여 수소이온농도 감지막의 감도 특성을 평가할 수 있다. 여기서, 전압에 따른 커패시턴스의 변화는 HP사의 4284B precision LCR meter를 사용하여 측정하였다. 6 shows the sensitivity characteristics of the hydrogen ion concentration sensing film prepared according to Experimental Example, Comparative Example 1 and Comparative Example 2. The sensitivity characteristics of the hydrogen ion concentration sensing film may be evaluated by observing a change in capacitance according to the voltage shown in FIG. 6. Here, the change in capacitance according to the voltage was measured using an HP 4284B precision LCR meter.

도 6에 도시한 바와 같이, 수용액의 수소이온농도가 pH3 내지 pH12로 변하는 경우, 전압에 따른 커패시턴스가 이동하면서 변하는 것을 확인할 수 있었다. 여기서, 실험예에 따른 수소이온농도 감지막은 pH에 따라 54.4mV의 전압을 나타내었다. 반면에, 비교예 1에 따른 수소이온농도 감지막은 pH에 따라 37.3mV의 전압을 나타내었고, 비교예 2에 따른 수소이온농도 감지막은 pH에 따라 49.7mV의 전압을 나타내었다. 즉, 실험예에 따른 수소이온농도 감지막의 전압이 비교예 1 및 비교예 2에 따른 수소이온농도 감지막의 전압보다 많은 변화를 나타내었다. 따라서 실험예에 따른 수소이온농도 감지막이 수소이온농도에 대한 감도가 가장 높은 것을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 6, when the hydrogen ion concentration of the aqueous solution changed from pH 3 to pH 12, it was confirmed that the capacitance was changed while moving. Here, the hydrogen ion concentration detection film according to the experimental example showed a voltage of 54.4mV according to the pH. On the other hand, the hydrogen ion concentration sensing membrane according to Comparative Example 1 exhibited a voltage of 37.3 mV according to pH, and the hydrogen ion concentration sensing membrane according to Comparative Example 2 showed a voltage of 49.7 mV according to pH. That is, the voltage of the hydrogen ion concentration sensing film according to the experimental example showed more change than the voltage of the hydrogen ion concentration sensing film according to Comparative Example 1 and Comparative Example 2. Therefore, it was confirmed that the hydrogen ion concentration sensing membrane according to the experimental example had the highest sensitivity to the hydrogen ion concentration.

드리프트Drift 특성 characteristic

도 7은 실험예, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조한 수소이온농도 감지막의 드리프트 특성을 나타낸다. 도 7의 수소이온농도 감지막의 드리프트 특성을 pH 7의 수용액에서 측정하였다. 이 경우, 도 7에 도시한 바와 같이, 실험예에 따른 수소이온농도 감지막의 드리프트는 2.1mV/h로 나타난 반면에 비교예 1 및 비교예 2에 따른 수소이온농도 감지막의 드리프트는 각각 45.2mV/h 및 3.8mV/h로 나타났다. 따라서 비교예 1 및 비교예 2에 따른 수소이온농도 감지막의 드리프트가 실험예에 따른 수소이온농도 감지막의 드리프트에 비해 큰 것을 알 수 있었고, 이로써 실험예에 따른 수소이온농도 감지막이 수용액에 대한 열화 정도가 비교예 1 및 비교예 2에 비해 작은 것을 확인할 수 있었다.Figure 7 shows the drift characteristics of the hydrogen ion concentration detection film prepared according to Experimental Example, Comparative Example 1 and Comparative Example 2. The drift characteristics of the hydrogen ion concentration sensing membrane of FIG. 7 were measured in an aqueous solution of pH 7. In this case, as shown in FIG. 7, the drift of the hydrogen ion concentration sensing membrane according to the experimental example was 2.1 mV / h, while the drift of the hydrogen ion concentration sensing membranes according to Comparative Example 1 and Comparative Example 2 was 45.2 mV / h, respectively. h and 3.8 mV / h. Therefore, it was found that the drift of the hydrogen ion concentration sensing membranes according to Comparative Examples 1 and 2 was larger than the drift of the hydrogen ion concentration sensing membranes according to the Experimental Examples. Was found to be smaller than Comparative Example 1 and Comparative Example 2.

이력현상Hysteresis

도 8은 실험예, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조한 수소이온농도 감지막의 이력현상을 나타낸다. 도 8에 도시한 바와 같이, 수용액의 수소이온농도를 pH 7, pH 10, pH 7, pH 4, pH 7로 차례로 바꿔가면서 수소이온농도 감지막의 이력현상을 파악하였다. 그 결과, 실험예에 따른 수소이온농도 감지막에서는 14.2mV가 측정된 반면에 비교예 1 및 비교예 2에 따른 수소이온농도 감지막에서는 각각 45.2mV 및 20.9mV가 측정되었다. 따라서 실험예에 따른 수소이온농도 감지막이 각각 비교예 1 및 비교예 2에 따른 수소이온농도 감지막보다 이력현상이 낮아 높은 신뢰성을 나타내는 것으로 파악되었다.Figure 8 shows the hysteresis of the hydrogen ion concentration detection film prepared according to Experimental Example, Comparative Example 1 and Comparative Example 2. As shown in FIG. 8, the hysteresis of the hydrogen ion concentration sensing membrane was determined while changing the hydrogen ion concentration of the aqueous solution to pH 7, pH 10, pH 7, pH 4, and pH 7. As a result, 14.2 mV was measured in the hydrogen ion concentration sensing membrane according to the experimental example, while 45.2 mV and 20.9 mV were measured in the hydrogen ion concentration sensing membranes according to Comparative Example 1 and Comparative Example 2, respectively. Therefore, the hydrogen ion concentration sensing membranes according to the experimental example were found to exhibit high reliability because the hysteresis was lower than the hydrogen ion concentration sensing membranes according to Comparative Example 1 and Comparative Example 2, respectively.

전술한 바와 같이, 비교예 1의 수소이온농도 감지막에 사용된 SiO2는 그 감도가 낮으며 시간에 따라 측정값이 변하는 드리프트(drift) 및 이력현상(hysterisis)이 심해진다. 한편, 비교예 2의 수소이온농도 감지막에 사용된 Si3N4는 화학적으로 안정한 절연체로서 SiO2에 비해 김도가 높고 수소이온농도 센서에 사용시 안정적으로 동작하므로 일반적으로 많이 사용된다. 그러나 Si3N4는 수용액에서의 측정 반복에 따라 그 표면의 산화에 의한 수화(hydration) 현상이 발생한다. 그 결과, 수소이온농도 감지막의 감도가 저하되고 드리프트 및 이력현상이 심해진다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해 고유전율 절연체 또는 희토류 원소를 이용한 수소이온농도 감지막이 연구되고 있지만, 감도, 드리프트 및 이력현상을 모두 향상시킬 수 없는 문제점이 있다. 또한, 수소이온농도 감지막을 형성하는 경우, 특성의 균일도가 떨어지고, 소재의 희소성으로 인해 제조비용이 높은 단점이 있다.As described above, SiO 2 used in the hydrogen ion concentration sensing film of Comparative Example 1 has low sensitivity, and drift and hysterisis in which the measured value changes with time become severe. On the other hand, Si 3 N 4 used in the hydrogen ion concentration sensing film of Comparative Example 2 is a chemically stable insulator and is generally used because it has a higher lamination than SiO 2 and operates stably when used in a hydrogen ion concentration sensor. However, as the Si 3 N 4 is repeated in the aqueous solution, hydration occurs due to oxidation of the surface. As a result, the sensitivity of the hydrogen ion concentration sensing film is lowered, and drift and hysteresis become more severe. Therefore, in order to solve this problem, a hydrogen ion concentration sensing film using a high dielectric constant insulator or a rare earth element has been studied, but there is a problem that cannot improve all of sensitivity, drift, and hysteresis. In addition, in the case of forming the hydrogen ion concentration sensing film, there is a disadvantage in that the uniformity of characteristics is lowered and the manufacturing cost is high due to the scarcity of the material.

이와는 대조적으로, 본 발명의 실험예에 따른 수소이온농도 감지막을 사용하는 경우, 에너지 밴드, 감도 특성, 드리프트 특성 및 이력현상에 있어서 비교예 1 및 비교예 2에 따른 수소이온농도 감지막보다 우수한 것으로 판단되었다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 수소이온농도 감지막을 사용하여 수소이온농도 센서를 제조하는 경우, 수소이온농도 측정에 있어서 높은 신뢰도를 확보할 수 있다.In contrast, in the case of using the hydrogen ion concentration sensing film according to the experimental example of the present invention, it is superior to the hydrogen ion concentration sensing film according to Comparative Examples 1 and 2 in energy band, sensitivity characteristic, drift characteristic and hysteresis. Judging. Therefore, when the hydrogen ion concentration sensor is manufactured using the hydrogen ion concentration sensing film according to an embodiment of the present invention, high reliability in hydrogen ion concentration measurement can be ensured.

본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.It will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the following claims.

10. 기판
12. 산화실리콘층
14. 산화하프늄층
16. 산화알루미늄층
20, 30. 전극
40. 챔버
50. 전압계
100. 수소이온농도 감지막
1000. 수소이온농도 센서
L. 용액
10. Substrate
12. Silicon Oxide Layer
14. Hafnium oxide layer
16. Aluminum oxide layer
20, 30. Electrode
40. Chamber
50. Voltmeter
100. Hydrogen ion concentration sensor
1000. Hydrogen ion concentration sensor
L. Solution

Claims (13)

기판,
상기 기판 위에 위치한 산화실리콘층(SiO2),
상기 산화실리콘층(SiO2) 위에 위치한 산화하프늄층(HfO2), 및
상기 산화하프늄층(HfO2) 위에 위치한 산화알루미늄층(Al2O3)
을 포함하는 수소이온농도 감지막.
Board,
A silicon oxide layer (SiO 2 ) positioned on the substrate,
The silicon oxide layer (SiO 2) oxidation, located on the hafnium layer (HfO 2), and
Aluminum oxide layer (Al 2 O 3 ) located on the hafnium oxide layer (HfO 2 )
Hydrogen ion concentration detection film comprising a.
제1항에 있어서,
상기 산화실리콘층(SiO2)의 두께는 10nm 내지 1000nm인 수소이온농도 감지막.
The method of claim 1,
The silicon oxide layer (SiO 2 ) has a thickness of 10nm to 1000nm hydrogen ion concentration sensing film.
제1항에 있어서,
상기 산화하프늄층(HfO2)의 두께는 10nm 내지 1000nm인 수소이온농도 감지막.
The method of claim 1,
The hafnium oxide layer (HfO 2 ) has a thickness of 10nm to 1000nm hydrogen ion concentration sensing film.
제1항에 있어서,
상기 산화알루미늄층(Al2O3)의 두께는 10nm 내지 1000nm인 수소이온농도 감지막.
The method of claim 1,
The thickness of the aluminum oxide layer (Al 2 O 3 ) is a hydrogen ion concentration sensing film of 10nm to 1000nm.
제1항에 있어서,
상기 기판은 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 갈륨(Ga), 비소(As), 산화알루미늄(Al2O3) 및 실리콘 카바이드(SiC)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 소재로 제조된 수소이온농도 감지막
The method of claim 1,
The substrate is hydrogen ion made of at least one material selected from the group consisting of silicon (Si), germanium (Ge), gallium (Ga), arsenic (As), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and silicon carbide (SiC). Concentration sensor
기판을 제공하는 단계,
상기 기판 위에 산화실리콘층(SiO2)을 제공하는 단계,
상기 산화실리콘층(SiO2) 위에 산화하프늄층(HfO2)을 제공하는 단계, 및
상기 산화하프늄층(HfO2) 위에 산화알루미늄층(Al2O3)을 제공하는 단계
를 포함하는 수소이온농도 감지막의 제조 방법.
Providing a substrate,
Providing a silicon oxide layer (SiO 2 ) on the substrate,
Providing a hafnium oxide layer (HfO 2 ) on the silicon oxide layer (SiO 2 ), and
Providing an aluminum oxide layer (Al 2 O 3 ) on the hafnium oxide layer (HfO 2 )
Method for producing a hydrogen ion concentration detection film comprising a.
제6항에 있어서,
상기 기판, 상기 산화실리콘층(SiO2), 상기 산화하프늄층(HfO2) 및 상기 산화알루미늄층(Al2O3)을 100℃ 내지 500℃에서 열처리하는 단계를 더 포함하는 수소이온농도 감지막의 제조 방법.
The method according to claim 6,
The substrate of the hydrogen ion concentration sensing film further comprises the step of heat-treating the silicon oxide layer (SiO 2 ), the hafnium oxide layer (HfO 2 ) and the aluminum oxide layer (Al 2 O 3 ) at 100 ℃ to 500 ℃ Manufacturing method.
제6항에 있어서,
상기 산화실리콘층(SiO2)을 제공한 후, 상기 기판 및 상기 산화실리콘층(SiO2)을 300℃ 내지 1050℃에서 열처리하는 단계를 더 포함하는 수소이온농도 감지막의 제조 방법.
The method according to claim 6,
After providing the silicon oxide layer (SiO 2), the substrate and the pH sensing membrane production method further comprising a step of heat treatment at the silicon oxide layer (SiO 2) 300 ℃ to 1050 ℃.
제6항에 있어서,
상기 산화하프늄층(HfO2)을 제공한 후, 상기 기판, 상기 산화실리콘층(SiO2) 및 상기 산화하프늄층(HfO2)을 300℃ 내지 1050℃에서 열처리하는 단계를 더 포함하는 수소이온농도 감지막의 제조 방법.
The method according to claim 6,
After providing the hafnium oxide layer (HfO 2), the substrate, the silicon oxide layer (SiO 2), and the pH value further comprises the step of annealing the hafnium oxide layer (HfO 2) at 300 ℃ to 1050 ℃ Method of manufacturing the sensing film.
제6항에 있어서,
상기 산화알루미늄(Al2O3)을 제공한 후, 상기 기판, 상기 산화실리콘층(SiO2), 상기 산화하프늄층(HfO2) 및 상기 산화알루미늄(Al2O3)을 300℃ 내지 1050℃에서 열처리하는 단계를 더 포함하는 수소이온농도 감지막의 제조 방법.
The method according to claim 6,
After providing the aluminum oxide (Al 2 O 3 ), the substrate, the silicon oxide layer (SiO 2 ), the hafnium oxide layer (HfO 2 ) and the aluminum oxide (Al 2 O 3 ) 300 ℃ to 1050 ℃ Method for producing a hydrogen ion concentration sensing film further comprising the step of heat treatment in.
제6항에 있어서,
상기 산화실리콘층(SiO2)을 제공하는 단계에서, 상기 산화실리콘층(SiO2)은 열산화(thermal oxidation), 스퍼터링(sputtering), 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD) 또는 화학기상증착(chemical vapor deposition, CVD)에 의해 제공되는 수소이온농도 감지막의 제조 방법.
The method according to claim 6,
In the providing of the silicon oxide layer (SiO 2 ), the silicon oxide layer (SiO 2 ) may be thermally oxidized, sputtered, atomic layer deposition (ALD) or chemical vapor deposition (ALD). A method for producing a hydrogen ion concentration sensing film provided by chemical vapor deposition (CVD).
제6항에 있어서,
상기 산화하프늄층(HfO2)을 제공하는 단계에서, 상기 산화하프늄층(HfO2)은 스퍼터링, 원자층 증착법 또는 화학기상증착에 의해 제공되는 수소이온농도 감지막의 제조 방법.
The method according to claim 6,
In the step of providing the hafnium oxide layer (HfO 2 ), the hafnium oxide layer (HfO 2 ) is a method of manufacturing a hydrogen ion concentration sensing film provided by sputtering, atomic layer deposition or chemical vapor deposition.
제6항에 있어서,
상기 산화알루미늄층(Al2O3)을 제공하는 단계에서, 상기 산화알루미늄층(Al2O3)은 스퍼터링, 원자층 증착법 또는 화학기상증착에 의해 제공되는 수소이온농도 감지막의 제조 방법.
The method according to claim 6,
In the providing of the aluminum oxide layer (Al 2 O 3 ), the aluminum oxide layer (Al 2 O 3 ) is a method of manufacturing a hydrogen ion concentration sensing film provided by sputtering, atomic layer deposition or chemical vapor deposition.
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