KR20140083159A - 양면 마이크로 가스 센서 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양면 마이크로 가스 센서 및 그의 제조방법을 개시한다. 그의 센서는, 탄성 박막과, 상기 탄성 박막 상의 발열 저항 층과, 상기 발열 저항 체 상의 층간 절연 층과, 상기 층간 절연 층 상의 상부 감지 층과, 상기 발열 저항 층에서의 열손실을 최소화하기 위해 발열 저항 층에 대응되는 상기 탄성 박막 아래에 배치된 하부 감지 층를 포함한다.

Description

양면 마이크로 가스 센서 및 그의 제조방법{dual side micro gas sensor and manufacturing method of the same}
본 발명은 센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로 보다 구체적으로 양면 마이크로 가스 센서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
최근, 반도체 산업의 눈부신 발전에 따라, 각종 마이크로 센서 및 마이크로 가열 장치가 개발되고 있다. 반도체 가스 센서는 높은 감도와 저렴한 생산 단가로 인해 많은 응용이 기대되고 있다. 그러나, 반도체 가스 센서는 열효율이 떨어질 수 있다. 예컨대, 가스 센스는 가열 장치가 필수적으로 요구되고 있다. 따라서, 높은 전력 소모는 가스 센서의 응용을 제한하고 있다. 휴대폰과 같은 모바일 기기 또는 무선 센서노드와 같이 제한된 전력 공급을 갖는 분야에서도 가스 센서는 활용되지 못하고 있는 실정이다. 따라서, 저전력의 고온 가열 장치를 탑재한 가스 센서의 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.
일반적인 마이크로 가스 센서는 단면 마이크로 가스 센서일 수 있다. 단면 마이크로 가스 센서는 기판 상에 발열 저항 체와 상기 발열 저항 체 상의 감지 층을 포함할 수 있다. 발열 저항 체는 감지 층을 가열하여 활성화 시킬 수 있다. 하지만, 단면 마이크로 가스 센서는 발열 저항 체의 열효율이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 열효율을 최대화할 수 있는 양면 마이크로 가스 센서를 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 양면 마이크로 가스 센서는, 탄성 박막; 상기 탄성 박막 상의 발열 저항 층; 상기 발열 저항 층 상의 층간 절연 층; 상기 층간 절연 층 상의 상부 감지 층; 및 상기 발열 저항 층에서의 열손실을 최소화하기 위해 발열 저항 층에 대응되는 상기 탄성 박막 아래에 배치된 하부 감지 층를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 탄성 박막을 지지하고, 상기 하부 센서를 상기 탄성 박막 아래로 노출하는 개구부를 갖는 기판을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 상부 감지 층과 상기 층간 절연 층 사이에 배치된 상부 전극들; 및 상기 하부 감지 층과 상기 탄성 박막 사이에 배치된 하부 전극들을 더 포함할 수 있다. 상기 하부 전극들 및 상기 하부 감지 층은 상기 기판의 개구부 내에 배치될 수 있다. 상기 상부 전극들은 제 1 상부 전극과 상기 제 1 상부 전극으로부터 이격된 제 2 상부 전극을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 하부 전극들은 제 1 하부 전극과 상기 제 1 하부 전극으로부터 이격된 제 2 하부 전극을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 상부 감지 층 및 상기 하부 감지 층은 금속 산화물, 금속 나노 입자, 양자점, 전도성 고분자, 탄소 나노 튜브, 또는 그라핀 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 탄성 박막은 산화 실리콘 층과 질화 실리콘 층을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 발열 저항 층은 금속, 또는 금속 산화막을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 양면 마이크로 가스 센서의 제조방법은, 기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계; 상기 하부 전극 및 상기 기판 상에 탄성 박막을 형성하는 단계; 상기 탄성 박막 상에 발열 저항 층을 형성하는 단계; 상기 발열 저항 층 상에 층간 절연 층을 형성하는 단계; 상기 층간 절연 층 상에 상부 전극을 형성하는 단계; 상기 상부 전극 및 상기 층간 절연 층 상에 상부 감지 층을 형성하는 단계; 상기 기판의 일부를 식각하여 상기 하부 전극을 노출하는 개구부를 형성하는 단계; 및 상기 개구부로부터 노출되는 상기 하부 전극 및 탄성 박막 상에 하부 감지 층을 형성하는 단계 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 하부 전극의 형성 단계는, 상기 기판 상에 트렌치를 형성하는 단계; 및 상기 트렌치 내에 상기 하부 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 상부 감지 층 및 하부 감지 층은 스크린 프린팅(screen printing), 잉크젯 프린팅(inkjet printing), 전기 수력학 프린팅(electro-hydrodynamic printing), 열 증착(thermal deposition), 전자빔 증착법(e-beam deposition), 졸 겔법(sol-gel), 드롭 코팅법(drop-coating), 또는 화학기상증착 방법으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 탄성 박막은 화학기상증착 방법으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 양면 마이크로 가스 센서는, 하부 감지 층과, 탄성 박막과, 발열 저항 층과, 층간 절연막과, 상부 감지 층을 포함할 수 있다. 발열 저항 층은 상부 감지 층과 하부 감지 층 사이에 배치될 수 있다. 상부 감지 층과 하부 감지 층은 고온에서 외부의 가스에 대해 활성화될 수 있다. 발열 저항 층은 상부 감지 층과 하부 감지 층을 고온으로 가열할 수 있다. 상부 감지 층과 하부 감지 층은 발열 저항 층의 열손실을 최소화할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 양면 마이크로 가스 센서는 열효율을 최대화할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 양면 마이크로 센서를 나타내는 단면도 및 사시도이다.
도 3 내지 도 11은 도 1을 근거로 하여 본 발명의 실시 예에 따른 양면 마이크로 가스 센서의 제조방법을 순차적으로 나타내는 공정 단면도들이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 양면 마이크로 센서를 나타내는 단면도 및 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 기판(10)과, 하부 감지 층(20)과, 하부 전극(22)과, 탄성 박막(30)과, 발열 저항 층(40)과, 층간 절연 층(50)과, 상부 전극(62)과, 상부 감지 층(60)을 포함할 수 있다.
기판(10)은 개구부(12)를 가질 수 있다. 기판(10)은 결정 실리콘을 포함할 수 있다. 개구부(12)는 기판(10)의 아래로 하부 감지 층(20)을 노출시킬 수 있다.
하부 감지 층(20) 및 하부 전극들(22)은 개구부(12) 내에 배치될 수 있다. 하부 감지 층(20)은 금속 산화물, 금속 나노 입자, 양자점, 전도성 고분자, 탄소 나노 튜브, 또는 그라핀을 포함할 수 있다. 하부 전극들(22)은 백금, 알루미늄, 또는 같은 금속 또는 금속 산화물을 포함할 수 있다. 하부 전극들(22)은 제 1 하부 전극(24)과 제 2 하부 전극(26)을 포함할 수 있다. 제 1 하부 전극(24) 및 제 2 하부 전극(26)은 서로 될 수 있다. 하부 감지 층(20)은 제 1 하부 전극(24) 및 제 2 하부 전극(26) 사이에 배치될 수 있다.
탄성 박막(30)은 기판(10) 상에 배치될 수 있다. 하부 감지 층(20) 및 하부 전극(22)은 탄성 박막(30)에 지지될 수 있다. 탄성 박막(30)은 산화 실리콘 층 및 질화 실리콘 층을 포함할 수 있다. 예컨대, 예를 들어, 탄성 박막(30)은 제 1 산화 실리콘 층, 제 1 질화 실리콘 층, 및 제 2 산화 실리콘 층을 포함할 수 있다.
발열 저항 층(40) 및 층간 절연 층(50)은 탄성 박막(30) 상에 배치될 수 있다. 발열 저항 층(40)은 외부의 전원 전압에 의해 약 500℃까지 발열될 수 있다. 발열 저항 층(40)은 폴리 실리콘, 텅스텐, 알루미늄, 니켈 또는 백금을 포함할 수 있다.
층간 절연 층(50)은 발열 저항 층(40) 및 탄성 박막(30) 상에 배치될 수 있다. 층간 절연 층(50)은 산화 실리콘을 포함할 수 있다.
상부 전극들(62) 및 상부 감지 층(60)은 층간 절연 층(50) 상에 배치될 수 있다. 상부 전극들(62)은 제 1 상부 전극(64) 및 제 2 상부 전극(66)을 포함할 수 있다. 상부 감지 층(60)은 제 1 상부 전극(64) 및 제 2 상부 전극(66) 사이에 배치될 수 있다. 상부 전극들(62)은 금속을 포함할 수 있다. 상부 감지 층(60)은 금속 산화물, 금속 나노 입자, 양자점, 전도성 고분자, 탄소 나노 튜브, 또는 그라핀을 포함할 수 있다. 여기서, 하부 감지 층(20)과 상부 감지 층(60)은 약 200℃ 내지 400℃의 고온에서 활성화될 수 있다. 발열 저항 층(40)은 하부 감지 층(20)과 상부 감지 층(60)을 활성 온도까지 가열시킬 수 있다. 발열 저항 층(40)의 열손실이 최소화될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 양면 마이크로 가스 센서는 열효율을 최대화할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 실시 예에 따른 양면 마이크로 가스 센서의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
도 3 내지 도 11은 도 1을 근거로 하여 본 발명의 실시 예에 따른 양면 마이크로 가스 센서의 제조방법을 순차적으로 나타내는 공정 단면도들이다.
도 3을 참조하면, 기판(10) 상에 트렌치(14)를 형성한다. 트렌치(14)는 포토리소그래피 공정 및 식각 공정에 의해 형성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 트렌치(14) 내에 하부 전극들(22)을 형성한다. 하부 전극들(22)은 금속의 증착 공정과, 화학적 기계적 연마 공정에 의해 형성될 수 있다. 금속의 증착 공정은 스퍼터링 방법 또는 화학기상증착 방법을 포함할 수 있다. 화학적 기계적 연마 공정은 기판(10) 상의 금속을 평탄화시킬 수 있다. 따라서, 하부 전극들(22)은 트렌치(14) 내에 잔존될 수 있다.
도 5를 참조하면, 하부 전극들(22) 및 기판(10) 상에 탄성 박막(30)을 형성한다. 탄성 박막(30)은 산화 실리콘 층 및 질화 실리콘 층의 적층 구조를 가질 수 있다. 산화 실리콘 층 및 질화 실리콘 층은 화학기상증착 방법으로 형성될 수 있다.
도 6을 참조하면, 탄성 박막(30) 상에 발열 저항 층(40)을 형성한다. 발열 저항 층(40)은 금속 증착 공정, 포토리소그래피 공정, 및 식각 공정에 의해 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 발열 저항 층(40) 및 탄성 박막(30) 상에 층간 절연 층(50)을 형성한다. 층간 절연 층(50)은 화학기상증착 방법으로 형성된 산화 실리콘을 포함할 수 있다. 층간 절연 층(50)은 포토리소그래피 공정 및 식각 공정에 의해 패터닝될 수 있다.
도 8을 참조하면, 층간 절연 층(50) 상에 상부 전극들(62)을 형성한다. 상부 전극들(62)은 금속의 증착 공정, 포토리소그래피 공정, 및 식각 공정으로 형성될 수 있다.
도 9를 참조하면, 상부 전극들(62) 및 층간 절연 층(50) 상에 상부 감지 층(60)을 형성한다. 상부 감지 층(60)은 스크린 프린팅(screen printing), 잉크젯 프린팅(inkjet printing), 전기 수력학 프린팅(electro-hydrodynamic printing), 열 증착(thermal deposition), 전자빔 증착법(e-beam deposition), 졸 겔법(sol-gel), 드롭 코팅법(drop-coating), 또는 화학기상증착 방법으로 형성될 수 있다.
도 10을 참조하면, 기판(10)의 일부를 제거하여 하부 전극들(22)을 노출하는 개구부(12)를 형성한다. 개구부(12)는 포토리소그래피 공정, 및 식각 공정으로 형성될 수 있다. 여기서,
도 11을 참조하면, 개구부(12) 내의 하부 전극들(22) 및 탄성 박막(30) 상에 하부 감지 층(20)을 형성한다. 하부 감지 층(60)은 스크린 프린팅(screen printing), 잉크젯 프린팅(inkjet printing), 전기 수력학 프린팅(electro-hydrodynamic printing), 열 증착(thermal deposition), 전자빔 증착법(e-beam deposition), 졸 겔법(sol-gel), 드롭 코팅법(drop-coating), 또는 화학기상증착 방법으로 형성될 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 기판 12: 개구부
20: 하부 감지 층 22: 하부 전극들
24: 제 1 하부 전극 26: 제 2 하부 전극
30: 탄성 박막 40: 발열 저항 층
50: 층간 절연 층 60: 상부 감지 층
62: 상부 전극들 64: 제 1 상부 전극
66: 제 2 상부 전극

Claims (13)

  1. 탄성 박막;
    상기 탄성 박막 상의 발열 저항 층;
    상기 발열 저항 층 상의 층간 절연 층;
    상기 층간 절연 층 상의 상부 감지 층; 및
    상기 발열 저항 층에서의 열손실을 최소화하기 위해 발열 저항 층에 대응되는 상기 탄성 박막 아래에 배치된 하부 감지 층를 포함하는 양면 마이크로 가스 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성 박막을 지지하고, 상기 하부 센서를 상기 탄성 박막 아래로 노출하는 개구부를 갖는 기판을 더 포함하는 양면 마이크로 가스 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 상부 감지 층과 상기 층간 절연 층 사이에 배치된 상부 전극들; 및
    상기 하부 감지 층과 상기 탄성 박막 사이에 배치된 하부 전극들을 더 포함하는 양면 마이크로 가스 센서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 하부 전극들 및 상기 하부 감지 층은 상기 기판의 개구부 내에 배치된 양면 마이크로 가스 센서.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 상부 전극들은 제 1 상부 전극과 상기 제 1 상부 전극으로부터 이격된 제 2 상부 전극을 포함하는 양면 마이크로 가스 센서.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 하부 전극들은 제 1 하부 전극과 상기 제 1 하부 전극으로부터 이격된 제 2 하부 전극을 포함하는 양면마이크로 가스 센서.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 감지 층 및 상기 하부 감지 층은 금속 산화물, 금속 나노 입자, 양자점, 전도성 고분자, 탄소 나노 튜브, 또는 그라핀 중 적어도 하나를 포함하는 양면 마이크로 가스 센서.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성 박막은 산화 실리콘 층과 질화 실리콘 층을 포함하는 양면 마이크로 가스 센서.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 발열 저항 층은 금속, 또는 금속 산화막을 포함하는 양면 마이크로 가스 센서.
  10. 기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계;
    상기 하부 전극 및 상기 기판 상에 탄성 박막을 형성하는 단계;
    상기 탄성 박막 상에 발열 저항 층을 형성하는 단계;
    상기 발열 저항 층 상에 층간 절연 층을 형성하는 단계;
    상기 층간 절연 층 상에 상부 전극을 형성하는 단계;
    상기 상부 전극 및 상기 층간 절연 층 상에 상부 감지 층을 형성하는 단계;
    상기 기판의 일부를 식각하여 상기 하부 전극을 노출하는 개구부를 형성하는 단계; 및
    상기 개구부로부터 노출되는 상기 하부 전극 및 탄성 박막 상에 하부 감지 층을 형성하는 단계 포함하는 양면 마이크로 가스 센서의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 하부 전극의 형성 단계는,
    상기 기판 상에 트렌치를 형성하는 단계; 및
    상기 트렌치 내에 상기 하부 전극을 형성하는 단계를 포함하는 양면 마이크로 가스 센서의 제조방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 상부 감지 층 및 하부 감지 층은 스크린 프린팅(screen printing), 잉크젯 프린팅(inkjet printing), 전기 수력학 프린팅(electro-hydrodynamic printing), 열 증착(thermal deposition), 전자빔 증착법(e-beam deposition), 졸 겔법(sol-gel), 드롭 코팅법(drop-coating), 또는 화학기상증착 방법으로 형성되는 마이크로 가스 센서의 제조방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 탄성 박막은 화학기상증착 방법으로 형성된 마이크로 가스 센서의 제조방법.
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