KR20170041506A - 마이크로 가스센서 제조방법 - Google Patents

마이크로 가스센서 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로 가스센서를 구성하는 감지전극 상에 도포되는 감지물질을 정확하게 도포하기 위한 마이크로 가스센서 제조방법에 관한 것으로, 실리콘 기판 상부에 제1절연막을 형성하는 단계와, 상기 제1절연막 상부에 가열 전극들을 형성하는 단계와, 상기 가열 전극들을 감싸며 상기 제1절연막 상부에 제2절연막을 형성하는 단계와, 상기 제2절연막 상부에 감지전극들과 접지전극을 형성하는 단계와, 상기 감지전극들만을 에워싸는 위치에 초소수성 물질을 도포하여 초소수성 물질 박막층을 형성하는 단계와, 상기 초소수성 물질 박막층에 의해 둘러싸인 상기 감지전극들상에 감지물질을 도포하여 건조시키는 단계;를 포함함을 특징으로 한다.

Description

마이크로 가스센서 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING A MICRO GAS SENSOR}
본 발명은 마이크로 가스센서에 관한 것으로, 특히 마이크로 가스센서를 구성하는 감지전극 상에 도포되는 감지물질을 정확하게 도포하기 위한 마이크로 가스센서 제조방법에 관한 것이다.
도 1은 일반적인 마이크로 가스센서의 단면도를 도시한 것이다. 도 1에 도시한 바와 같이 마이크로 가스센서는 기판(110)상에 멤브레인(120)과 마이크로 히터(130)를 형성한 후, 절연막(140)을 형성한다. 절연막(140) 상부에는 감지전극(150)과 가스 감지물질(160)을 형성한다. 이때, 멤브레인(120) 상에 형성되는 마이크로 히터(130)는 요철형태로 형성되고, 마이크로 히터(130)의 두께로 인하여 후공정으로 형성되는 절연막(140) 역시 요철 형태가 된다. 그러나, 절연막 (140)을 두껍게 형성할 경우 절연막 (140)상부는 상당히 평탄한 면을 얻을 수 있다.
상술한 단면구조를 가지는 일반적인 마이크로 가스센서의 제조 공정 중에서 감지전극(150) 상에 감지물질(160)을 정확하게 도포하는 기술이 요구된다. 그러나, 일반적으로 저가의 일반적인 피펫이나 디스펜서(dispenser) 등을 이용해 감지물질(160)을 도포할 경우, 감지전극(150) 영역을 벗어나는 문제가 발생한다. 또한, 고가의 초정밀 잉크젯 장비를 사용할 경우 높은 장비 비용이 소요되고, 노즐이 막히는 문제 등으로 많은 비용이 발생되어, 가능하면, 저가의 장비를 이용하면서 감지물질 (160)을 정밀하게 도포하는 기술이 요구된다.
감지물질 (160)이 감지전극(150) 영역을 벗어나는 경우 소비전력의 증가를 가져올 뿐만 아니라, 감지물질의 분포 불균일성 때문에 마이크로 가스센서의 샘플 간의 초기저항 차이와 감도의 차이를 가져오게 되어 결국 가스센서의 신뢰성에 영향을 주고 생산성을 저해하는 문제가 발생한다.
대한민국 등록특허공보 제10-0792165호
이에 본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 발명으로서, 마이크로 가스센서를 구성하는 감지전극 상에 도포되는 감지물질을 저가의 비용과 장비로 정확하게 도포할 수 있는 마이크로 가스센서 제조방법을 제공함에 있으며,
더 나아가 본 발명의 또 다른 목적은 마이크로 가스센서의 감지전극 상에 도포되는 감지물질의 밀도와 두께를 용이하게 조절할 수 있는 마이크로 가스센서 제조방법을 제공함에 있다.
또한 본 발명의 목적은 하나의 칩 상에 여러 개의 마이크로 가스센서를 제조하여 어레이화하는 공정에도 적용할 수 있는 마이크로 가스센서 제조방법을 제공함에 있다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 가스센서 제조방법은,
실리콘 기판 상부에 제1절연막을 형성하는 단계와;
상기 제1절연막 상부에 가열 전극들을 형성하는 단계와;
상기 가열 전극들을 감싸며 상기 제1절연막 상부에 제2절연막을 형성하는 단계와;
상기 제2절연막 상부에 감지전극들과 접지전극을 형성하는 단계와;
상기 감지전극들만을 에워싸는 위치에 초소수성 물질을 도포하여 초소수성 물질 박막층을 형성하는 단계와;
상기 초소수성 물질 박막층에 의해 둘러싸인 상기 감지전극들상에 감지물질을 도포하여 건조시키는 단계;를 포함함을 특징으로 한다.
이러한 마이크로 가스센서는 필요에 따라 멤브레인 형성공정을 삽입하여 멤브레인 형성된 마이크로 가스센서를 제조할 수도 있다.
변형 가능한 또 다른 실시예에 따른 마이크로 가스센서 제조방법은,
실리콘 기판 상부에 제1절연막을 형성하는 단계와;
상기 제1절연막 상부에 복수의 그룹화된 가열 전극들을 형성하는 단계와;
상기 복수의 그룹화된 가열 전극들을 감싸며 상기 제1절연막 상부에 제2절연막을 형성하는 단계와;
상기 복수의 그룹화된 가열 전극들 각각이 위치하는 상기 제2절연막 상부에 복수의 그룹화된 감지전극들과 접지전극을 형성하는 단계와;
상기 그룹화된 감지전극들 각각을 에워싸는 위치에 초소수성 물질을 도포하여 복수의 초소수성 물질 박막층을 형성하는 단계와;
상기 초소수성 물질 박막층 각각에 의해 둘러싸인 감지전극들상에 감지물질을 도포하여 건조시키는 단계;를 포함함을 특징으로 한다.
이러한 마이크로 가스센서 역시 상기 그룹화된 가열 전극들이 형성된 실리콘 기판의 후면 영역을 제거하여 멤브레인 형성한 어레이 형태의 마이크로 가스센서 제조방법일 수 있다.
한편, 상기 초소수성 물질 소재는 폴리프로필렌(polypropylene), Plasma Polymerized Fluorocarbon(PPFC), 폴리비닐이딘 플루오라이드(nylidene fluoride(PVDF)) 중 어느 하나임을 또 다른 특징으로 한다.
상술한 과제 해결 수단에 따르면, 본 발명은 감지전극들 상에 도포되는 감지물질이 초소수성 물질 박막층에 의해 감지전극들 이외의 부분으로 퍼져가는 것을 막기 때문에, 감지전극들 상에만 감지물질을 정확하게 도포할 수 있으며, 건조 후에 감지물질의 두께를 향상시키기 위해서는 반복적으로 감지물질 수용액의 디스펜싱(dispensing) 또는 드롭-캐스팅(drop-casting) 방식의 도포와 건조 공정의 반복이 가능하여 감지소재의 밀도와 두께를 용이하게 조절할 수 있는 효과도 얻을 수 있다.
도 1은 일반적인 마이크로 가스센서의 단면 예시도.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 가스센서의 제조공정 흐름 예시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초소수성 물질을 박막형태로 도포한 경우를 설명하기 위한 도면.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 혹은 구성과 같은 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 가스센서의 제조공정 흐름도를 예시한 것이다.
도 2a에 도시한 바와 같이, 실리콘 기판(100)의 상부 및 하부에 제1절연막(110)을 우선 형성한다(a단계). 실리콘 기판(100)의 상부 및 하부에 형성되는 제1절연막(110)은 실리콘 질화물(SiNx)의 단일막으로 이루어질 수 있다. 상기 실리콘 질화막(SiNx)은 500~2000㎚의 두께로 증착 가능하다. 참고적으로, 상기 실리콘 질화막(SiNx)은 저압 화학 기상 증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition:LPCVD)법을 활용하여 최소 응력을 가지도록 증착하는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 실리콘 기판(100) 상부에 형성된 제1절연막(110)의 상부에 가열 전극 패턴, 즉 마이크로 히터(120)를 형성한다(b단계). 상기 마이크로 히터(120)는 후술할 감지물질이 특정 가스를 흡착하는 최적의 온도까지 감지물질을 가열하기 위한 것으로, Pt, Poly-Si, RuO2 등으로 이루어질 수 있다. 제1절연막(110)과 마이크로 히터(120) 사이에는 접착력을 증가시켜주는 금속막으로 10~20 nm두께의 Ta을 사용한다. 마이크로 히터(120)는 복수 개의 감지물질을 동시에 가열할 수 있도록 형성할 수 있으며, 이를 위해 복수 개의 감지물질이 도포되는 각 영역 또는 그 인접 영역을 경유하도록 제1절연막(110) 상부에 형성한다. 이러한 경우, 한 개의 마이크로 히터(120)에 전압을 인가하여 복수 개의 감지물질을 동시에 가열할 수 있기 때문에, 마이크로 가스 센서 어레이의 소비전력을 현저히 줄일 수 있는 효과도 얻을 수 있다.
이어서, 상기 마이크로 히터(120)를 감싸며 상기 제1절연막(110) 상부에 제2절연막(130)을 형성한다(c단계). 절연막 (130)은 SiO2/SiNx/SiO2의 삼중막으로 형성되며, 총 두께는 약 1 μm이다. 이러한 제2절연막(130)은 마이크로 히터(120)와 후술할 감지전극 패턴을 전기적으로 절연시키는 역할을 하며, PECVD법을 활용하여 증착하는 것이 바람직하다.
이어 마스킹 및 에칭장비(RIE)를 이용하여 본딩 패드를 오픈하고(d단계), 연이어, 상기 제2절연막(130) 상부에 복수 개의 감지전극(140) 및 접지전극 패턴을 형성한다(e단계). 제2절연막(130)과 감지전극(140) 사이에는 접착력을 증가시켜주는 금속막으로 10~20 nm두께의 Ti을 사용한다. 감지전극(140)들과 접지전극 패턴은 백금(Pt) 또는 금(Au)으로 이루어질 수 있으며, 100 ~ 600㎚의 두께로 증착하여 형성한다. 즉, 제2절연막(130) 상부에 Pt 또는 Au를 증착하고, 감광제(Photoresist)를 도포한 후, 마스크를 이용하여 식각함으로써, 각 전극 패턴을 형성할 수 있다.
그리고 도 2b에 도시한 바와 같이 실리콘 기판(100) 하부의 제1절연막(110) 일부(150)를 KOH를 이용한 습식 식각공정에 의해 제거하고, 다시 기판(100) 하부면을 KOH를 이용한 습식 식각공정 처리하여 멤브레인 영역(160)을 형성한다(f단계, g단계). 멤브레인의 형성은 발열체의 열효율을 높이는 역할을 한다.
이어서, 상기 제2절연막(130) 상부에 위치하는 감지전극들(140) 주변을 원형 또는 사각형 형태로 에워싸도록 초소수성(super-hydrophobic) 물질 박막형태로 도포한다(h단계). 이와 같이 초소수성 물질을 이용하여 감지전극들(140) 주변을 사각형 형태로 에워싸도록 도포한 것을, 하기에서는 초소수성 물질 박막층(170)이라 정의하기로 하며, 초소수성 물질 박막층(170)이 도포된 상태의 평면을 도 3에 도시하였다. 초소수성 물질 박막층(170)은 감지전극들(140) 상에 도포되는 감지물질이 감지전극들(140) 이외의 부분으로 퍼져가는 것을 막는 역할을 담당한다.
참고적으로 상기 초소수성 물질의 소재는 polypropylene, Plasma Polymerized Fluorocarbon(PPFC), polyvinylidene fluoride(PVDF) 등을 사용할 수 있다. 상기 초소수성 물질을 다공성이나 나노 구조로 구현할 경우 초소수성 특성이 더욱 향상되거나 오랜 기간 유지될 수 있는 특성이 있다.
초소수성 물질 박막층(170)을 도포한 이후에는 상기 초소수성 물질 박막층(170)에 둘러싸인 감지전극들(140)에 감지물질(180)을 도포한 후 건조시킨다(i,j단계). 감지물질(180)을 도포하는 공정은 일반적인 저가 공정인 디스펜싱(dispensing) 또는 드롭 캐스팅(drop-casting) 방식을 사용하여 감지전극들(140) 상에 감지물질(180)을 도포할 수 있다. 감지물질 수용액 내에 소량(수 Vol. %) 분산되어 있는 감지물질들은 일반적인 디스펜싱 또는 드롭 캐스팅 방식으로 도포하더라도, 감지전극(140)을 에워싸고 있는 초소수성 물질 박막층(170)에 갇혀 있게 되므로, 건조 후에는 감지전극들(140) 상에만 도포된 결과를 얻을 수 있다.
감지물질(180)의 모재(母材)로는 산화 주석(SnO2), 산화 텅스텐(WO3), 산화 아연(ZnO), 산화 인듐(In2O3), 산화 티타늄(TiO2) 중에서 선택된 어느 하나의 금속 산화물을 사용할 수 있으며, 상기 모재에 가스 감지 감도 및 선택성, 그리고, 장기 안정성을 높이기 위해 Pt, Pd, In, Al 등의 귀금속을 표면에 도핑(dopping)하는 도펀트(dopant) 또는 첨가제(additive)로 사용할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 감지전극들(140) 상에 도포되는 감지물질이 초소수성 물질 박막층(170)에 의해 감지전극들(140) 이외의 부분으로 퍼져가는 것을 막기 때문에, 감지전극들(140) 상에만 감지물질(180)을 정확하게 도포할 수 있으며, 건조 후에 감지물질의 두께를 향상시키기 위해서는 반복적으로 감지물질 수용액의 디스펜싱 또는 드롭-캐스팅 방식의 도포와 건조 공정의 반복이 가능하여 감지소재의 밀도와 두께를 용이하게 조절할 수 있는 효과도 얻을 수 있다.
한편 본 발명의 실시예에서는 하나의 마이크로 가스센서를 제작하는 공정에 대해 설명하였으나, 하나의 칩 상에 여러 개의 마이크로 가스센서를 제조하여 어레이화하는 공정에도 별다른 변형 없이 적용 가능하다.
즉, 도 2와 도 3에서 설명한 바와 동일하게 단일 실리콘 기판(100) 상부에 제1절연막(110)을 형성하고, 상기 제1절연막(110) 상부에 복수의 그룹화된 가열 전극들(120)을 형성한 후, 복수의 그룹화된 가열 전극들을 감싸며 상기 제1절연막(110) 상부에 제2절연막(130)을 형성한다. 그리고 복수의 그룹화된 가열 전극들 각각이 위치하는 상기 제2절연막(130) 상부에 복수의 그룹화된 감지전극들(140)과 접지전극을 형성한 후, 상기 그룹화된 감지전극들(140) 각각을 에워싸는 위치에 초소수성 물질을 도포하여 복수의 초소수성 물질 박막층(170)을 형성하고, 상기 초소수성 물질 박막층(170) 각각에 의해 둘러싸인 감지전극들(140)상에 감지물질(180)을 도포하여 건조시키면, 하나의 칩 상에 여러 개의 마이크로 가스센서(이를 어레이 형태의 마이크로 가스센서 또는 마이크로 가스센서 어레이라 칭할 수 있다)를 제조할 수 있다.
이러한 경우 다양한 감지물질을 도포하여 다양한 가스들(환원성 가스 혹은 산화성 가스) 또는 혼합된 가스들을 동시에 감지, 분석할 수 있는 멀티 센서를 제조할 수 있을 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100: 실리콘 기판 110: 제1절연막
120: 마이크로 히터(가열 전극) 130: 제2절연막
140: 감지전극 150: 기판 하부의 윈도우 영역
160: 멤브레인 영역 170: 초소수성 물질 박막층
180: 감지물질

Claims (4)

  1. 실리콘 기판 상부에 제1절연막을 형성하는 단계와;
    상기 제1절연막 상부에 가열 전극들을 형성하는 단계와;
    상기 가열 전극들을 감싸며 상기 제1절연막 상부에 제2절연막을 형성하는 단계와;
    상기 제2절연막 상부에 감지전극들과 접지전극을 형성하는 단계와;
    상기 감지전극들만을 에워싸는 위치에 초소수성 물질을 도포하여 초소수성 물질 박막층을 형성하는 단계와;
    상기 초소수성 물질 박막층에 의해 둘러싸인 상기 감지전극들상에 감지물질을 도포하여 건조시키는 단계;를 포함하되, 상기 가열 전극들이 형성된 실리콘 기판의 후면 영역을 제거하여 멤브레인 형성한 마이크로 가스센서 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 초소수성 물질 소재는 폴리프로필렌(polypropylene), Plasma Polymerized Fluorocarbon(PPFC), 폴리비닐이딘 플루오라이드(nylidene fluoride(PVDF)) 중 어느 하나임을 특징으로 하는 마이크로 가스센서 제조방법.
  3. 실리콘 기판 상부에 제1절연막을 형성하는 단계와;
    상기 제1절연막 상부에 복수의 그룹화된 가열 전극들을 형성하는 단계와;
    상기 복수의 그룹화된 가열 전극들을 감싸며 상기 제1절연막 상부에 제2절연막을 형성하는 단계와;
    상기 복수의 그룹화된 가열 전극들 각각이 위치하는 상기 제2절연막 상부에 복수의 그룹화된 감지전극들과 접지전극을 형성하는 단계와;
    상기 그룹화된 감지전극들 각각을 에워싸는 위치에 초소수성 물질을 도포하여 복수의 초소수성 물질 박막층을 형성하는 단계와;
    상기 초소수성 물질 박막층 각각에 의해 둘러싸인 감지전극들상에 감지물질을 도포하여 건조시키는 단계;를 포함하되, 상기 그룹화된 가열 전극들이 형성된 실리콘 기판의 후면 영역을 제거하여 멤브레인 형성한 어레이 형태의 마이크로 가스센서 제조방법.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 초소수성 물질 소재는 폴리프로필렌(polypropylene), Plasma Polymerized Fluorocarbon(PPFC), 폴리비닐이딘 플루오라이드(nylidene fluoride(PVDF)) 중 어느 하나이며, 상기 감지물질은 서로 다른 종류의 감지물질을 사용함을 특징으로 하는 어레이 형태의 마이크로 가스센서 제조방법.
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