KR20170053968A - 반도체 가스센서 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 가스센서 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 내부에 튜브 형상의 빈 공간이 형성된 산화막을 포함하는 기판; 상기 튜브 형상의 빈 공간이 형성된 산화막 상부에 형성된 히터 전극층; 상기 히터 전극층 상부에 형성된 절연층; 상기 절연층 상부에 형성되되 상기 튜브 형상의 빈 공간 양측 상부에 형성된 센서 전극층; 및 상기 절연층 및 센서 전극층 상부에 형성된 가스 감지층;을 포함하는 반도체 가스센서 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 반도체 가스센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
생활환경에는 다양한 종류의 가스가 존재하고 있어 최근 일반가정, 업소, 공사장에서의 가스사고, 석유콤비나트, 탄광, 화학플랜트 등에서의 폭발사고 및 오염 공해 등이 잇따르고 있다. 인간의 감각기관으로는 위험 가스의 농도를 정량하거나 종류를 거의 판별할 수 없다. 이에 대응하기 위해 물질의 물리적, 화학적 성질을 이용한 가스센서가 개발되어 가스의 누설감지, 농도의 측정 기록, 경보 등에 사용되고 있다.
이러한 가스센서로 가장 많이 사용되는 물질은 SnO2이며, SnO2 반도체 가스 센서는 도시가스, 메탄가스, 프로판 가스, 알코올 등의 가연성 가스와 CO, H2 등의 환원성 가스의 검출에 사용되고 있다. SnO2는 산소원자가 일부 위치에서 존재하지 않아 외부로부터 열에너지가 가해지면 전자주게(donor)로 작용하는 산소 베이컨시(vacancy)의 전자가 전도대(conduction band)로 이동하여 캐리어(carrier)로 작용하는 n-타입 반도체의 특성을 나타낸다. 전자주게 레벨에서 전도대로 이동하는 캐리어의 개수와 이동도를 변화시켜 전기전도도를 변화시키고 가스 흡착을 변화시키기 때문에 센서특성을 변화시키는 매우 민감한 요인으로 작용한다. 따라서, SnO2 입자 내에는 열에너지가 주어지면 자유로이 움직일 수 있는 전자가 많아지고, 여기에 산소기체가 흡착하면 이들 자유전자를 입자표면의 산소기체에 포획되면 SnO2 입계에 전위장벽이 형성되어 입자간의 전기전도도는 낮아진다. 환원성 기체 또는 가연성 기체는 산소기체와 만나 산화하기 때문에 이들 기체가 존재하게 되면 SnO2 표면에 흡착되어 있는 산소기체를 제거하게 되고 산소기체에 포획되었던 자유전자는 SnO2 입자 내로 들어가게 되어 전위장벽은 낮아져 입자간의 전기전도도는 커지게 된다. 결국 산소기체의 흡착량과 탈착량은 센서의 감도를 좌우하게 된다.
그러나, 종래 이산화주석 기반 가스센서는 미량 가스에 대한 감응성이 떨어지고 응답 및 회복속도가 느리다는 단점이 있으며, 이러한 점을 극복하기 위해 나노 물질을 사용하는 경우에도 나노소재의 불균일성으로 인해 소자 간 균일성이 떨어지고 금속 전극과의 접촉이 불안정하여 신뢰성과 기대 수명이 낮은 문제가 있다.
이와 관련된 선행문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0101938호(2012.09.17. 공개)에 개시되어 있는 암모니아 가스 감지용 가스센서 제조방법 및 그 가스센서가 있다.
따라서, 본 발명은 발열 효율 및 센싱 표면적을 극대화하여 소모 전력이 적고 미량 가스에 대한 감응성 및 반응 속도가 향상된 반도체 가스센서 및 이를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 이하의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 내부에 튜브 형상의 빈 공간이 형성된 산화막을 포함하는 기판; 상기 튜브 형상의 빈 공간이 형성된 산화막 상부에 형성된 히터 전극층; 상기 히터 전극층 상부에 형성된 절연층; 상기 절연층 상부에 형성되되 상기 튜브 형상의 빈 공간 양측 상부에 형성된 센서 전극층; 및 상기 절연층 및 센서 전극층 상부에 형성된 가스 감지층;을 포함하는 반도체 가스센서를 제공한다.
또한, 본 발명은 산화막을 포함하는 기판에서 상기 산화막을 이방 건식 식각시킨 후 등방 습식 식각시켜 튜브 형상의 빈 공간을 형성시키는 단계; 상기 튜브 형상의 빈 공간이 형성된 산화막에 화학기상 증착법 또는 원자층 증착법으로 히터 전극층을 형성시킨 후 절연층을 형성시키는 단계; 및 상기 절연층의 상부에 센서 전극층을 패터닝하여 센서 전극층을 형성시킨 후 화학기상 증착법 또는 원자층 증착법으로 가스 감지층을 형성시키거나, 상기 절연층 상부에 화학기상 증착법 또는 원자층 증착법으로 가스 감지층을 형성시킨 후 상기 가스 감지층 상부에 센서 전극층을 패터닝하여 센서 전극층을 형성시키는 단계;를 포함하는 반도체 가스센서의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 기판에 포함된 산화막에 튜브 형상의 빈 공간이 형성되어 히터 전극층이 가스 감지층과 인접하게 구비되어 발열 효율을 극대화함으로써 소모 전력을 최소화하여 저전력에서도 구동가능하며, 가스를 감지하는 표면적이 극대화되어 미량 가스에 대한 감응성 및 반응 속도를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 튜브 형상의 빈 공간이 형성된 산화막 상부에 형성된 절연층 위에 가스 감지를 위한 비표면적 증대를 위해 금속, 금속산화물 및 폴리머로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 더 포함함으로써 저전력에서도 구동 가능하고 초고감도 센서를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 가스센서를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 반도체 가스센서를 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 반도체 가스센서를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 반도체 가스센서를 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 반도체 가스센서를 나타낸 모식도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명은 내부에 튜브 형상의 빈 공간이 형성된 산화막을 포함하는 기판;
상기 튜브 형상의 빈 공간이 형성된 산화막 상부에 형성된 히터 전극층;
상기 히터 전극층 상부에 형성된 절연층;
상기 절연층 상부에 형성되되 상기 튜브 형상의 빈 공간 양측 상부에 형성된 센서 전극층; 및
상기 절연층 및 센서 전극층 상부에 형성된 가스 감지층;을 포함하는 반도체 가스센서를 제공한다.
본 발명에 따른 반도체 가스센서는 기판에 포함된 산화막에 튜브 형상의 빈 공간이 형성되어 히터 전극층이 가스 감지층과 인접하게 구비되어 발열 효율을 극대화함으로써 소모 전력을 최소화하여 저전력에서도 구동가능하며, 가스를 감지하는 표면적이 극대화되어 미량 가스에 대한 감응성 및 반응 속도를 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 튜브 형상의 빈 공간이 형성된 산화막 상부에 형성된 절연층 위에 가스 감지를 위한 비표면적 증대를 위해 금속, 금속산화물 및 폴리머로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 더 포함함으로써 저전력에서도 구동 가능하고 초고감도 센서를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 가스센서를 나타낸 모식도이다. 도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 반도체 가스센서(100)는 내부에 튜브 형상의 빈 공간이 형성된 산화막(111)을 포함하는 기판(110), 상기 튜브 형상의 빈 공간이 형성된 산화막(111) 상부에 형성된 히터 전극층(120), 상기 히터 전극층(120) 상부에 형성된 절연층(130), 상기 절연층(130) 상부에 형성되되, 상기 튜브 형상의 빈 공간 양측 상부에 형성된 센서 전극층(140) 및 상기 절연층(130) 및 센서 전극층(140) 상부에 형성된 가스 감지층(150)으로 이루어진다.
또한, 도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 반도체 가스센서를 나타낸 모식도로, 상기 튜브 형상의 빈 공간이 형성된 산화막(111) 상부에 형성된 절연층(130) 위에 가스 감지를 위한 비표면적 증대를 위해 나노 또는 마이크로 크기의 금속, 금속산화물 및 폴리머로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종(160)을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 가스센서에서 상기 기판은 가공이 용이하고 비용을 절감시킬 수 있는 실리콘, 유리 및 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 사용할 수 있고, 상기 히터 전극층은 산소 또는 특정 가스의 흡착이 용이하도록 300 ℃ 이상의 고온을 유지할 수 있는 발열 물질을 사용하는 것이 바람직하며, 구체적으로 Ru, Pt, W, TiN 및 TaN으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 사용할 수 있다.
또한, 상기 절연층은 상기 히터 전극층과 상기 절연층 상부에 형성되는 센서 전극층과의 전기 또는 열 출입을 방지하기 위한 층으로, SiO2 또는 Si3N4 등을 사용할 수 있다.
상기 센서 전극층은 가스 감지층에서의 전기 저항 변화를 측정하기 위한 것으로, Au, W 및 Pt로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 사용할 수 있다.
또한, 상기 가스 감지층은 가스에 따라 민감하게 저항이 변하는 반도체 물질을 사용할 수 있고, 구체적으로 SO2를 사용할 수 있다. 공기 중에서는 가스 감지층의 SnO2 표면에 산소가 흡착되고 SnO2 내 전자가 산소와 결합하여 SnO2를 통해 전류가 잘 흐르기 못하게 된다. 반면, 메탄, 수소, 일산화탄소, 암모니아와 같은 환원성 가스가 존재하는 분위기에서는 표면에 흡착되는 산소 농도가 감소하여 SnO2 내 전자의 농도가 증가하여 SnO2를 통해 전류가 잘 흐르게 되어 전류 변화를 통해 가스를 감지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 반도체 가스센서는 전술한 바와 같이, 상기 튜브 형상의 빈 공간이 형성된 산화막 상부에 형성된 절연층 위에 금속, 금속산화물 및 폴리머로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 형성시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 금속으로는 Ag, Au, Pt, Ir, Ru, W, Fe, Ni, Ti, Al, Zr, Zn 및 Sn를 사용할 수 있고, 상기 금속산화물로는 SnO2, ZnO, FeO2, SiO2, Al2O3, NiO, WO2, TiO2, CeO2 및 ZrO2를 사용할 수 있으며, 상기 폴리머로는 폴리에틸렌, 폴리아미드, 폴리스티렌 및 폴리프로필렌을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명은 내부에 튜브 형상의 빈 공간이 형성된 산화막을 포함하는 기판;
상기 튜브 형상의 빈 공간이 형성된 산화막 상부에 형성된 히터 전극층;
상기 히터 전극층 상부에 형성된 절연층;
상기 절연층 상부에 형성된 가스 감지층; 및
상기 가스 감지층 상부에 형성되되, 상기 튜브 형상의 빈 공간 양측 상부에 형성된 센서 전극층;을 포함하는 반도체 가스센서를 제공한다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 반도체 가스센서를 나타낸 모식도이다. 도 3에 나타난 바와 같이, 반도체 가스센서(300)는 내부에 튜브 형상의 빈 공간이 형성된 산화막(311)을 포함하는 기판(310), 상기 튜브 형상의 빈 공간이 형성된 산화막(311) 상부에 형성된 히터 전극층(320), 상기 히터 전극층(320) 상부에 형성된 절연층(330), 상기 절연층(330) 상부에 형성된 가스 감지층(340), 및 상기 가스 감지층(340) 상부에 형성되되, 상기 튜브 형상의 빈 공간 양측 상부에 형성된 전극층(350)으로 이루어진다.
또한, 본 발명은 산화막을 포함하는 기판에서 상기 산화막을 이방 건식 식각시킨 후 등방 습식 식각시켜 튜브 형상의 빈 공간을 형성시키는 단계;
상기 튜브 형상의 빈 공간이 형성된 산화막에 화학기상 증착법 또는 원자층 증착법으로 히터 전극층을 형성시킨 후 절연층을 형성시키는 단계; 및
상기 절연층 상부에 센서 전극층을 패터닝하여 센서 전극층을 형성시킨 후 화학기상 증착법 또는 원자층 증착법으로 상기 전극층 상부에 가스 감지층을 형성시키거나, 상기 절연층 상부에 화학기상 증착법 또는 원자층 증착법으로 가스 감지층을 형성시킨 후 상기 가스 감지층 상부에 센서 전극층을 패터닝하여 센서 전극층을 형성시키는 단계;를 포함하는 가스센서의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 반도체 가스센서의 제조방법은 산화막을 포함하는 기판의 산화막을 이방 건식 식각시켜 튜브 형상을 빈 공간을 제조하기 위한 입구를 만든 후 등방 습식 식각 공정으로 튜브 형상의 빈 공간을 제조하여 열 손실을 줄이면서 가스 출입은 자유로워 센서 소모 전력을 최소화할 수 있고, 고감도 센서를 구현할 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 절연층 상부에는 센서 전극층을 먼저 형성시킨 후 가스 감지층을 형성시킬 수 있고, 상기 절연층 상부에 가스 감지층을 형성시킨 후 센서 전극층을 형성시킬 수도 있다.
또한, 본 발명에 따른 반도체 가스센서의 제조방법은 상기 튜브 형상의 빈 공간이 형성된 산화막 상부에 형성된 절연층 위에 스프레이 코팅, 스핀 코팅, 화학기상 증착법 및 분사법으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 이용하여 금속, 금속산화물 및 폴리머로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 금속, 금속산화물 및 폴리머의 종류는 전술한 바와 같다.
실시예 1: 반도체 가스센서의 제조 1
산화막이 형성된 실리콘 기판을 이방 건식 식각하여 튜브 형상의 빈 공간을 제조하기 위한 입구를 제조한 후 등방 습식 식각하여 실리콘 기판에 형성된 산화막 내부에 튜브 형상의 빈 공간을 형성시켰다. 상기 튜브 형상의 빈 공간이 형성된 산화막과 산화막 상부에 화학기상 증착법(CVD) 또는 원자층 증착법(ALD)으로 히터 전극층인 Ru 금속 박막을 형성시킨 후 화학기상 증착법 또는 원자층 증착법으로 SiO2의 층간 절연층을 형성시켰다. 상기 층간 절연층이 형성된 튜브 형상의 빈 공간 양측 상부에 Au 센서 전극층을 패터닝하여 형성시킨 후 상기 절연층 및 센서 전극층 위에 SnO2 가스 감지층을 원자층 증착법으로 코팅하여 반도체 가스센서를 제조하였다.
실시예 2: 반도체 가스센서의 제조 2
산화막이 형성된 실리콘 기판을 이방 건식 식각하여 튜브 형상의 빈 공간을 제조하기 위한 입구를 제조한 후 등방 습식 식각하여 실리콘 기판에 형성된 산화막 내부에 튜브 형상의 빈 공간을 형성시켰다. 상기 튜브 형상의 빈 공간이 형성된 산화막과 산화막 상부에 화학기상 증착법(CVD) 또는 원자층 증착법(ALD)으로 히터 전극층인 Ru 금속 박막을 형성시킨 후 화학기상 증착법 또는 원자층 증착법으로 SiO2의 층간 절연층을 형성시켰다. 상기 층간 절연층 상부에 SnO2 가스 감지층을 원자층 증착법으로 코팅한 후 상기 튜브 형상의 빈 공간 양측 상부에 패터닝하여 Au 센서 전극층을 형성시켜 반도체 가스센서를 제조하였다.
실시예 3: 반도체 가스센서의 제조 3
구형의 공간이 형성된 실리콘 기판 및 센서 전극층에 나노 ~ 마이크로 크기의 ZnO 입자를 스프레이 코팅법으로 코팅시킨 후 Au 센서 전극층을 패터닝하고 상기 구형의 공간이 형성된 실리콘 기판 및 센서 전극층 위에 SnO2 센서 물질을 코팅시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 반도체 가스센서를 제조하였다.
지금까지 본 발명에 따른 반도체 가스센서 및 이의 제조방법에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.
그러므로 본 발명의 범위에는 설명된 실시예에 국한되어 전해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100, 200, 300: 반도체 가스센서
110, 310: 기판 111, 311: 산화막
120, 320: 히터 전극층 130, 330: 절연층
140, 350: 센서 전극층 150, 340: 가스 감지층
160: 금속, 금속산화물 또는 폴리머
110, 310: 기판 111, 311: 산화막
120, 320: 히터 전극층 130, 330: 절연층
140, 350: 센서 전극층 150, 340: 가스 감지층
160: 금속, 금속산화물 또는 폴리머
Claims (9)
- 내부에 튜브 형상의 빈 공간이 형성된 산화막을 포함하는 기판;
상기 튜브 형상의 빈 공간이 형성된 산화막 상부에 형성된 히터 전극층;
상기 히터 전극층 상부에 형성된 절연층;
상기 절연층 상부에 형성되되 상기 튜브 형상의 빈 공간 양측 상부에 형성된 센서 전극층; 및
상기 절연층 및 센서 전극층 상부에 형성된 가스 감지층;을 포함하는 반도체 가스센서.
- 제1항에 있어서,
상기 튜브 형상의 빈 공간이 형성된 산화막 상부에 형성된 절연층 위에 금속, 금속산화물 및 폴리머로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 가스센서.
- 제1항에 있어서,
상기 기판은 실리콘, 유리 및 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 반도체 가스센서.
- 제1항에 있어서,
상기 히터 전극층은 Ru, Pt, W, TiN 및 TaN으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 반도체 가스센서.
- 제1항에 있어서,
상기 절연층은 SiO2 또는 Si3N4인 것을 특징으로 하는 반도체 가스센서.
- 제1항에 있어서,
상기 센서 전극층은 Au, W 및 Pt로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 반도체 가스센서.
- 제1항에 있어서,
상기 가스 감지층은 SnO2인 것을 특징으로 하는 반도체 가스센서.
- 산화막을 포함하는 기판에서 상기 산화막을 이방 건식 식각시킨 후 등방 습식 식각시켜 튜브 형상의 빈 공간을 형성시키는 단계;
상기 튜브 형상의 빈 공간이 형성된 산화막에 화학기상 증착법 또는 원자층 증착법으로 히터 전극층을 형성시킨 후 절연층을 형성시키는 단계; 및
상기 절연층의 상부에 센서 전극층을 패터닝하여 센서 전극층을 형성시킨 후 화학기상 증착법 또는 원자층 증착법으로 가스 감지층을 형성시키거나, 상기 절연층 상부에 화학기상 증착법 또는 원자층 증착법으로 가스 감지층을 형성시킨 후 상기 가스 감지층 상부에 센서 전극층을 패터닝하여 센서 전극층을 형성시키는 단계;를 포함하는 반도체 가스센서의 제조방법.
- 제8항에 있어서,
상기 튜브 형상의 빈 공간이 형성된 산화막 상부에 형성된 절연층 위에 스프레이 코팅, 스핀 코팅, 화학기상 증착법 및 분사법으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 이용하여 금속, 금속산화물 및 폴리머로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 형성시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 가스센서의 제조방법.
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