KR20190009918A

KR20190009918A - 반도체 가스 센서

Info

Publication number: KR20190009918A
Application number: KR1020170091882A
Authority: KR
Inventors: 주우덕; 남효진; 오성인
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2017-07-20
Filing date: 2017-07-20
Publication date: 2019-01-30
Also published as: KR102378133B1

Abstract

본 발명은 브리지 구조를 가지는 반도체 가스 센서에 관한 것이다. 반도체 가스 센서는 기판과, 상기 기판상에 형성되고, 패턴화된 적어도 하나의 히터 전극을 포함한 제1 레이어를 포함하고, 상기 기판은 양측면을 제외한 적어도 하나의 영역에 단열을 위한 홈이 형성되도록 식각 처리된 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 가스 센서{A SEMICONDUCTOR GAS SENSOR}

본 발명은 마이크로 히터를 포함한 반도체 가스 센서에 관한 것이다.

최근 석유, 천연 가스, 석탄 등과 같은 에너지원을 이용한 에너지 소비가 증가함에 따라 대기오염이 매우 심각한 문제가 되고 있으며, 특히, 자동차의 경우 그 양의 증가로 인해 대기 오염 물질인 CO, NO 그리고 불완전 연소된 탄소(hydrocarbon)등의 배출량이 증가하여 매우 심각한 환경 오염문제를 야기 시키고 있는데, 이러한 환경 오염 정도를 모니터링하기 위해 가스 센서가 대두되고 있다.

가스센서는 환경 오염뿐만 아니라 가정이나 건물 내에서 발생하여 인체에 유해하다고 알려진 휘발성유기화합물(tVOC) 등을 측정하거나, 특정 가스의 유무와 양을 검출하기 위해서 사용될 수도 있다. 예를 들어, 가정 내에서 요리 중에 발생하거나 각종 집기류에서 발생하는 유해가스를 측정하여 위험수준일 경우 경고 안내 메시지를 전달하는 시스템이 있다. 또한 김치 냉장고의 경우 발효에 따른 CO2의 발생량을 감지함으로써 발효 감지 기능을 갖는 고기능 김치 냉장고를 가능하게 해준다.

가스센서는 기능적으로 가스와 감지재 간의 상호 작용을 전기적인 신호로 검출함으로써 가스의 종류와 농도를 측정하는 소자이다. 이러한 가스센서로는 산화물 반도체형, 고체 전해질형, 접촉 연소식형, 광학식형, 압전형 등 다양한 종류가 있다. 이 중 반도체식 가스센서는 다른 방식의 가스센서 대비 저비용으로 동등 수준의 성능을 확보할 수 있어 널리 활용된다.

반도체식 가스센서는 외기의 산소 및 표적가스가 센서의 감지 물질에 접촉하면서 발생하는 전기전도도 변화를 측정함으로써 가스의 농도를 검출할 수 있도록 하는 소자이다. 일반적으로 감지재료로는 산화주석, 산화아연, 산화철 등 여러 금속산화물을 사용한다. 산화물 표적 가스가 없을 때, 산화물은 산소결핍(Oxygen deficiency) 상태에서 표면에 산소 기체를 흡착함으로써 전위장벽을 형성하고 전기 전도도를 낮춘다.

환원성 또는 가연성 기체가 산화물과 접촉하면 산화물 표면의 산소기체를 가져가면서 산화물의 전위장벽이 다시 낮아지며 입자간 전기전도도가 높아진다. 곧, 산소의 흡/탈착량이 해당 표적가스, 즉 환원성 또는 가연성 기체의 농도 지표가 되고, 산화물의 전기전도도의 변화가 곧 저항의 변화이다.

산소의 흡착량을 증가시키기 위해서는 산화물의 표면적이 넓어야 하고, 산소기체의 흡착반응이 가장 잘 일어나는 온도로 산화물을 가열해 주어야 한다. 산화물의 표면적은 분말입자의 크기에 의해 결정되며, 흡착 반응 활성화를 위한 최적 표면온도는 기체의 종류에 따라 다르지만 통상 300~400도이다.

최근 들어 MEMS 기술을 가스센서에 적용하면서 소형화, 저전력화 및 저가격화가 이루어지고 있을뿐만 아니라, 전자코(e-nose)나 복합센서 등 요소센서로 확장하여 다양한 시스템에 활용할 수 있는 가능성을 높이고 있다.

상기와 같은 반도체 가스 센서는 기판 상에 히터 전극과, 감지 전극 및 감지 물질이 포함된 감지막을 포함한다. 상기 히터 전극은 외부로부터 인가된 전원에 따라 특정 가스를 흡착하여 감지하는 상기 감지막이 최적의 감도를 나타낼 수 있는 특정 온도까지 열을 발생한다. 상기 감지 전극은 가스를 흡착함에 따라 발생하는 상기 감지막의 저항 값 변화를 외부 회로로 전달시켜 주며, 상기 감지막은 검출하고자 하는 특정 가스와 직접 접촉되어 전기적인 저항의 변화를 발생하는 부분으로, 반도체의 성질을 가지고 있다.

이러한 구조의 일반적인 반도체 가스 센서에 있어서 히터전극 또는 히터 영역은 다음과 같은 특성을 선호한다. 우선 적정 시정수 특성을 보여 원하는 시점에 원하는 온도로 제어가 가능해야 하고, 저전력 구동이 가능하며, 고온 및 고습 환경에서의 구동 신뢰성을 확보해야 한다.

상기와 같이 MEMS 기술을 적용한 히터 전극의 경우, 반도체 가스 센서뿐만 아니라 적외선 광원(IR-Emitter)로도 사용이 가능하다. 적외선 광소스는 광학식 가스센서 등에서 쓰인다. 광학식 가스센서의 경우 측정 대상 가스가 특정 파장에 해당하는 빛을 선택적으로 흡수하는 현상을 측정하여 가스의 농도를 측정하며, 이 방식을 비분산 적외선 흡수법(Non-dispersive Infrared Absorption, NDIR)이라고 한다. NDIR 센서는 적외선 광원, 광학계 및 검출기로 이루어지며, 광원으로부터 나온 빛이 광학계에 의해 설계된 광경로를 통과한다. 검출기에서는 빛이 내부에 존재하는 가스를 지나오면서 발생하는 흡수 파장 및 광강도를 검출하여 가스의 종류 및 농도를 측정한다.

일반적으로 백열전구와 같은 원리의 Microbulb를 사용하는 NDIR 센서와 달리 MEMS 기술을 적용한 적외선 광원의 경우 상대적으로 낮은 시정수를 나타내고, 저전력 구동이 가능한 장점이 있다.

본 발명은 열 효율을 최적화한 브릿지(bridge) 형태의 기판 구조를 통해 저전력 구동이 가능한 반도체 가스 센서 및 적외선 광원을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명에 따른 반도체 가스 센서는 기판과, 상기 기판상에 형성되고, 패턴화된 적어도 하나의 히터 전극을 포함한 제1 레이어를 포함하고, 상기 기판은 양측면을 제외한 적어도 하나의 영역에 단열을 위한 홈이 형성되도록 식각 처리된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제1 레이어는 상기 히터 전극 주변에 패턴화된 적어도 하나의 감지 전극을 포함하고, 상기 제1 레이어 및 상기 제1 레이어의 감지 전극 상에는 특정 가스 센싱을 위한 감지 물질을 포함한 감지막이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명에 따른 반도체 가스 센서는 상기 제1 레이어 상에 형성되고, 상기 제1 레이어 내의 히터 전극 상에 패턴화된 적어도 하나의 감지 전극 및 상기 감지 전극 상에 형성되어 특정 가스 센싱을 위한 감지 물질을 포함한 감지막을 포함한 제2 레이어를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 홈은 상기 기판의 바닥면으로부터 상기 제1 레이어와 만나는 상부면까지 식각되어 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 홈은 상기 기판의 양측면을 제외한 중앙에서 상기 제1 레이어 내의 상기 히터 전극과 맞닿는 부분이 노출되도록 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 기판은 상기 양측면 및 중앙 영역 사이의 각각의 제1 및 제2 영역에 상기 단열을 위한 각각의 제1 및 제2 홈이 형성되도록 식각 처리될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제1 레이어는 상기 기판의 홈과 연결되어 단열을 위한 둘 이상의 제1 및 제2 홀(hole)을 더 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 레이어는 상기 제1 레이어 내의 히터 전극과 전기적 연결을 위해 형성된 둘 이사의 제1 및 제2 히터 전극 패드를 더 포함하고, 상기 제1 홀은 상기 제1 레이어 내의 히터 전극이 위치한 영역 및 상기 제1 히터 전극 패드 사이의 잔여 영역에 형성되며, 상기 제2 홀은 상기 제1 레이어 내의 히터 전극이 위치한 영역 및 상기 제2 히터 전극 패드 사이의 잔여 영역에 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 반도체 가스 센서의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 기판의 하부면을 브릿지 형태로 형성함으로써, 열 전도를 통한 열 손실을 줄여서 소모 전력을 줄이고, 열응력을 완화하며, 높은 신뢰성을 확보할 수 있는 효과를 제공한다.

본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 해당 기술 분야의 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시 예와 같은 특정 실시 예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 가스 센서를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 브리지 및 단층 전극 구조의 반도체 가스 센서를 나타낸 단면도이다.
도 3a 내지 도 3h는 본 발명에 따른 브리지 및 단층 전극 구조의 반도체 가스 센서의 제조 과정을 나타낸 공정 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따른 둘 이상의 홈들을 구비한 브리지 및 단층 전극 구조의 반도체 가스 센서를 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 브리지 및 다층 전극 구조의 반도체 가스 센서를 나타낸 단면도이다.
도 6a 내지 도 6g는 본 발명에 따른 브리지 및 다층 전극 구조의 반도체 가스 센서의 제조 과정을 나타낸 공정 순서도이다.
도 7은 본 발명에 따른 둘 이상의 홈들을 구비한 브리지 및 다층 전극 구조의 반도체 가스 센서를 나타낸 단면도이다.
도 8은 종래의 멤브레인 구조의 반도체 가스 센서 대비 본 발명에 따른 브리지 구조의 반도체 가스 센서의 구동 온도 별로 소모 전력을 비교한 도표이다.
도 9는 본 발명에 따른 둘 이상의 반도체 가스 센서들의 어레이를 나타낸 제1 실시예 평면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 둘 이상의 반도체 가스 센서들의 어레이를 나타낸 제2 실시예 평면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 브리지 구조의 적외선 광원을 나타낸 사시도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 브리지 구조의 적외선 광원을 나타낸 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.

또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 가스 센서를 나타낸 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 반도체 가스 센서는 브리지(bridge) 구조로 식각된 기판(110)의 멤브레인 위에 히터 전극(130)을 도포하여 줄(joule) 열을 통해 히터 영역을 가열시킬 수 있다.

이때, 히터 전극(130)의 상위 레이어 또는 주변에 감지 전극(150)을 포함한 감지막(150)이 형성될 수 있고, 본 발명에 따라 열 효율을 최적화한 브릿지(bridge) 형태의 기판 구조를 가지도록 기판(110)의 하부 바닥면에 적어도 하나의 홈(170)이 형성되고, 홈(170)을 가진 기판 구조를 통해 히터 전극(130)이 발열 시에 상기 홈(170)이 없었다면, 열전도에 의해 발생했을 히터 영역의 열 손실을 막을 수 있다.

이때, 홈(170) 뿐만 아니라 기판(110) 내에서 히터 전극(130) 및 감지 전극(150)을 제외한 잔여 영역에 상기 홈(170)과 연결되는 둘 이상의 제1 및 제2 홀(hole)(180)을 형성하여 히터 전극(130)이 발열 시에 열전도에 의해 발생했을 열 손실을 더욱 효과적으로 줄일 수 있다.

즉, 반도체 가스 센서의 기판 밑면에 홈을 파고, 상기 기판의 상부에서 히터 전극(130) 및 감지 전극(150) 등의 소자들이 없는 영역에 둘 이상의 홀을 파서 결과적으로 브리지 형태의 기판 구조를 만들고, 상기 브리지 형태의 기판 구조를 통해 반도체 가스 센서가 구동 시 히터 전극에 의해 발열되는 열이 감지 전극 및 감지막에 잘 전도되도록 하면서, 동시에 상기 열의 전도가 필요로 하지 않는 부분에는 상기 홈(170) 및 홀들(181, 182)을 형성함으로써, 히터의 열효율을 높일 수 있는 것이다.

상기와 같이 브리지 구조를 가지는 반도체 가스 센서는 이하의 2가지 타입을 가질 수 있다.

먼저, 도 2 내지 도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 브리지 구조를 가지며 히터 전극 및 감지 전극이 동일 레이어에 형성되는 단층 전극 구조의 반도체 가스 센서에 대해 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 브리지 및 단층 전극 구조의 반도체 가스 센서를 나타낸 단면도이다.

도 2를 참조하면, 상기 반도체 가스 센서는 기판(110)과, 멤브레인 막(111)과, 히터 전극(130)과, 히터 전극용 패드(131)와, 감지 전극(150)과, 감지 전극용 패드(151)와, 감지막(152)과, 홈(170) 및 둘 이상의 제1 및 제2 홀(181, 182)을 포함하여 구성된다.

즉, 실리콘 웨이퍼나, 알루미나 웨이퍼등을 기 설정된 규격의 평면 크기 및 두께로 기판(110)을 생성할 수 있다.

그리고, 멤브레인막(111)은 히터 전극(130) 및 감지 전극(150)이 패터닝되어 도포되는 막으로써, 기판(110) 상에 이산화규소(SiO2), 질화실리콘(SiNx) 및 탄탈룸산화물(TaOx), 알루미늄산화물(Al2O3) 등 가운데 적어도 하나의 박막을 종래에 알려진 Oxidation, PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition), ALD(Atomic Layer Deposition) 등 여러가지 방법 중에서 선택된 어느 하나를 이용하여 상기 기판(110)에 증착하여 형성할 수 있다.

그 다음으로, 히터 전극(130) 및 감지 전극(150)은 본 발명에 따라 반도체 공정 호환성이 높고, 녹는점이 높은 텅스텐(W)을 멤브레인 막(111) 상에 증착하고 기 설정된 패턴에 따라 패터닝하여 형성된다. 물론, 히터 전극(130)은 현재 널리 사용되는 Pt, Pt와 Ti가 혼합된 금속, Pt와 Ta가 혼합된 금속, Mo, Mo와 Ti가 혼합된 금속, 폴리 실리콘(Poly Si) 중에서 적어도 하나를 이용하여 형성될 수도 있다.

히터 전극용 패드(131)는 히터 전극(130)의 일부가 노출되어 열 발생을 위한 전원이 인가되는 금속 패드를 뜻한다.

감지 전극용 패드(151)는 감지 전극(150)의 일부가 노출되어 감지 전극(150)에서 변화되는 저항을 외부에서 측정하기 위한 금속 패드를 뜻한다.

그 다음으로, 절연막(120)은 노출이 필요한 감지 전극(150)과, 히터 전극용 패드(131) 및 감지 전극용 패드(151)를 제외한 히터 전극(130)의 보호를 위해 상기 히터 전극(130)이 형성된 멤브레인막(111) 상에 증착되어 형성된다. 절연막(120)은 이산화규소(SiO2), 질화실리콘(SiNx), 탄탈룸산화물(TaOx) 및 산화알루미늄(Al2O3) 중 적어도 하나를 증착하여 형성할 수 있다.

감지막(152)은 특정 가스에 감응하여 저항이 변하는 소정의 감지 물질을 절연막(120)에 노출된 감지 전극(150) 상에 증착한 후 열처리하여 형성하고, 상기 감지 물질로는 산화주석(SnO2), 이산화티타늄(TiO2), 텅스텐산화물(WO) 및 산화아연(ZnO) 중 적어도 하나 또는 어느 하나를 포함할 수 있다.

그 다음으로, 제1 홀(181)은 히터 전극(130)과, 감지 전극(150)과, 히터 전극용 패드(131)와, 감지 전극용 패드(151) 및 감지막(152)이 형성된 후에, 상기 히터 전극(130)과 상기 히터 전극용 패드(131) 사이에 소자가 없는 잔여 영역을 절연막(120)에서 멤브레인막(111)까지 식각하여 형성한다.

마찬가지로, 제2 홀(182)은 히터 전극(130)과, 감지 전극(150)과, 히터 전극용 패드(131)와, 감지 전극용 패드(151) 및 감지막(152)이 형성된 후에, 상기 감지 전극(150)과 상기 감지 전극용 패드(151) 사이에 소자가 없는 잔여 영역을 절연막(120)에서 멤브레인막(111)까지 식각하여 형성한다. 상기와 같은 제1 및 제2 홀(181, 182)은 통상적으로 동시에 식각 처리되어 형성된다.

그 다음으로, 홈(170)은 제1 및 제2 홀(181, 182)과 함께 식각되어 형성되거나 또는 제1 및 제2 홀(181, 182) 이전에 식각되어 형성되거나 또는 제1 및 제2 홀(181, 182)이 형성된 이후에 식각되어 형성될 수 있고, 기판(110)의 바닥면에서 기판(110)의 멤브레인막(111)과 만나는 상부면까지 식각하여 형성함으로써, 제1 및 제2 홀(181, 182)과 함께 개방된 형태로 형성된다.

즉, 본 발명에서는 홈(170)과, 제1 및 제2 홀(181, 182)의 개방된 브리지 구조를 통해 반도체 가스 센서가 구동 시 히터 전극에 의해 발열되는 열이 감지막(152)에 잘 전도되도록 하면서, 동시에 열 전도를 통해 열 손실을 줄여서 소모 전력을 줄이고, 열응력을 완화시킬 수 있는 것이다.

이하에서는 도 3a 내지 도 3h를 참조하여, 본 발명에 따른 브리지 구조를 가지며 히터 전극 및 감지 전극이 동일 레이어에 형성되는 단층 전극 구조의 반도체 가스 센서의 제조 과정에 대해 상세히 설명한다.

도 3a 내지 도 3h는 본 발명에 따른 브리지 및 단층 전극 구조의 반도체 가스 센서의 제조 과정을 나타낸 공정 순서도이다.

도 3a 내지 도 3h를 참조하면, 실리콘 웨이퍼나, 알루미나 웨이퍼등을 기 설정된 규격의 평면 크기 및 두께로 기판(110)을 생성하고, 이산화규소(SiO2), 질화실리콘(SiNx) 및 탄탈룸산화물(TaOx) 중 적어도 하나의 박막을 종래에 알려진 여러가지 CVD(Chemical Vapor Deposition) 방법 중에서 선택된 어느 하나를 이용하여 상기 기판(110)에 증착하여 멤브레인막(111)을 형성한다[도 3a].

그리고, 반도체 공정 호환성이 높고, 녹는점이 높은 텅스텐(W)을 멤브레인 막(111) 상에 증착하고 기 설정된 패턴에 따라 패터닝하여 각각의 히터 전극(130) 및 감지 전극(150)을 형성한다[도 3b]. 물론, 히터 전극(130) 및 감지 전극(150)은 현재 널리 사용되는 Pt, Pt와 Ti가 혼합된 금속, Pt와 Ta가 혼합된 금속, Mo와 Ti가 혼합된 금속, 폴리 실리콘(Poly Si) 중에서 적어도 하나를 이용하여 형성될 수도 있다.

그 다음으로, 히터 전극(130) 및 감지 전극(150)이 형성된 멤브레인막(111) 상에 이산화규소(SiO2), 질화실리콘(SiNx), 탄탈룸산화물(TaOx) 및 산화알루미늄(Al2O3) 중 적어도 하나를 증착하여 절연막(120)을 형성한다[도 3c].

그 다음으로, 절연막(120) 내에서 히터 전극(130)의 일부가 노출되도록 식각하여 히터 전극용 패드(131)를 형성하고, 절연막(120) 내에서 감지 전극(150)의 일부가 노출되도록 식각하여 감지 전극용 패드(151)를 형성하고, 절연막(120) 내에서 감지 전극(150) 형성된 부위가 노출되도록 식각한 후 상기 감지 전극(150)이 노출된 부위에 감지막(152)을 형성한다[도 3d].

이때, 감지막(152)은 특정 가스에 감응하여 저항이 변하는 소정의 감지 물질을 절연막(120)에 노출된 감지 전극(150) 상에 증착한 후 열처리하여 형성되고, 상기 감지 물질로는 산화주석(SnO2), 이산화티타늄(TiO2), 텅스텐산화물(WO) 및 산화아연(ZnO) 중 적어도 하나 또는 어느 하나를 포함할 수 있다.

그 다음으로, 히터 전극(130)과 상기 히터 전극용 패드(131) 사이에 소자가 없는 잔여 영역을 절연막(120)에서 멤브레인막(111)까지 식각하여 제1 홀(181)을 형성하고, 감지 전극(150)과 상기 감지 전극용 패드(151) 사이에 소자가 없는 잔여 영역을 절연막(120)에서 멤브레인막(111)까지 식각하여 제2 홀(182)을 형성한다[도 3e].

그 다음으로, 히터 전극(130)과, 히터 전극용 패드(131)와, 절연막(120)과, 감지막(152)과, 제1 홀(181)과, 제2 홀(182) 및 감지 전극용 패드(151)가 형성된 기판(110) 상에 보호막(190)을 증착하여 형성한다[도 3f].

상기와 같이, 도 3a 내지 도 3e 과정에 의해 제조된 결과물 상에 보호막(190)을 형성하는 이유는, 이후 도 3g 과정에서 DRIE(Deep Reactive Ion Etching) 공정을 이용하여 홈(170)을 식각하여 형성할 경우 상기 보호막(190)을 형성하지 않을 경우 제1 및 제2 홀(181, 182)을 통해 누출(gas leak)이 발생하여 진공 척(vacuum chuck)으로 기판(웨이퍼)을 잡을 수 없어서, 결과적으로 DRIE 공정을 진행할 수 없다.

또한, 본 발명에 따라 텅스텐 재질의 히터 전극을 제작 시에는 반도체 공정이 사용되며, 반도체 공정 시 도포 가능한 박막의 경우 KOH에 대한 식각 속도가 높아 습식 식각으로 상기 홈(170)을 형성하기 어려운 문제점이 발생될 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 마지막으로 홈(170)을 형성하기 전에 히터 전극(130)과, 히터 전극용 패드(131)와, 절연막(120)과, 감지막(152)과, 제1 홀(181)과, 제2 홀(182) 및 감지 전극용 패드(151)가 형성된 기판(110) 상에 폴리머 재질의 보호막(190)을 증착한 후 상기 DRIE 공정을 이용하여 기판(110)의 양측면을 제외한 부분에서 기판(110)의 바닥면에서 기판(110)의 멤브레인막(111)과 만나는 상부면까지 식각하여 홈(170)을 형성한다. 이때, 홈(170)은 제1 및 제2 홀(181, 182)과 함께 개방된 형태로 형성될 수 있다.

그리고, 마지막으로 상기 홈(170)이 형성된 후에, 습식 식각, 건식 식각 또는 산소 가스등을 이용하여 상기 보호막(190)을 제거한다[도 3h].

한편, 감지막(152)은 도 3d의 과정처럼 제1 및 제2 홀(181, 182)이 형성되기 전에 만들어질 수도 있고, 또는 도 3h 과정의 보호막(190)이 제거된 후에 마지막으로 만들어질 수도 있다.

한편, 이하의 도 4와 같이, 본 발명에 따른 브리지 및 단층 전극 구조의 반도체 가스 센서는 상기 홈(170)을 둘 이상 구비하여 더욱 단열 효과를 제공할 수도 있다.

도 4는 본 발명에 따른 둘 이상의 홈들을 구비한 브리지 및 단층 전극 구조의 반도체 가스 센서를 나타낸 단면도이다.

도 4를 참조하면, 상술한 도 3a 내지 도 3f 과정 이후 DRIE 공정을 이용하여 기판(110)의 양측면 및 중앙 영역 사이를 각각 식각하여 제1 및 제2 홈(171, 172)을 형성할 수 있다.

그 다음으로, 도 5 및 도 6을 참조하여, 본 발명에 따른 브리지 구조를 가지며 히터 전극 및 감지 전극이 서로 다른 레이어에 형성되는 다층 전극 구조의 반도체 가스 센서에 대해 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 브리지 및 다층 전극 구조의 반도체 가스 센서를 나타낸 단면도이다.

도 5를 참조하면, 상기 다층 전극 구조의 반도체 가스 센서는 기판(110)과, 멤브레인 막(111)과, 히터 전극(130)과, 히터 전극용 패드(131)와, 감지 전극(150)과, 감지 전극용 패드(151)와, 감지막(152)과, 홈(170) 및 둘 이상의 제1 및 제2 홀(181, 182)을 포함하여 구성된다.

그 다음으로, 히터 전극(130)은 본 발명에 따라 반도체 공정 호환성이 높고, 녹는점이 높은 텅스텐(W)을 멤브레인 막(111) 상에 증착하고 기 설정된 패턴에 따라 패터닝하여 형성된다. 물론, 히터 전극(130)은 현재 널리 사용되는 Pt, Pt와 Ti가 혼합된 금속, Pt와 Ta가 혼합된 금속, Mo, Mo와 Ti가 혼합된 금속, 폴리 실리콘(Poly Si) 중에서 적어도 하나를 이용하여 형성될 수도 있다.

그 다음으로, 절연막(120)은 히터 전극(130)의 보호를 위해 상기 히터 전극(130)이 형성된 멤브레인막(111) 상에 증착되어 형성된다. 절연막(120)은 이산화규소(SiO2), 질화실리콘(SiNx), 탄탈룸산화물(TaOx) 및 산화알루미늄(Al2O3) 중 적어도 하나를 증착하여 형성할 수 있다.

그 다음으로, 감지 전극(150)은 본 발명에 따라 반도체 공정 호환성이 높고, 녹는점이 높은 텅스텐(W)을 절연막(120) 상에 증착하고 기 설정된 패턴을 따라 패터닝하여 형성되되, 상기 절연막(120) 내의 히터 전극(130) 상에 형성된다. 물론, 감지 전극(150)은 현재 널리 사용되는 Pt, Pt와 Ti가 혼합된 금속, Pt와 Ta가 혼합된 금속, Mo, Mo와 Ti가 혼합된 금속, 폴리 실리콘(Poly Si) 중에서 적어도 하나를 이용하여 형성될 수도 있다.

마찬가지로, 제2 홀(182)은 히터 전극(130)과, 감지 전극(150)과, 히터 전극용 패드(131)와, 감지 전극용 패드(151) 및 감지막(152)이 형성된 후에, 상기 감지 전극(150)과 상기 감지 전극용 패드(151) 사이에 소자가 없는 잔여 영역을 절연막(120)에서 멤브레인막(111)까지 식각하여 형성한다.

즉, 본 발명에서는 홈(170)과, 제1 및 제2 홀(181, 182)의 개방된 브리지 구조를 통해 다층 구조의 반도체 가스 센서가 구동 시 히터 전극에 의해 발열되는 열이 감지막(152)에 잘 전도되도록 하면서, 동시에 열 전도를 통해 열 손실을 줄여서 소모 전력을 줄이고, 열응력을 완화시킬 수 있는 것이다.

이하에서는 도 6a 내지 도 6g를 참조하여, 본 발명에 따른 브리지 구조를 가지며 히터 전극 및 감지 전극이 서로 다른 레이어에 형성되는 다층 전극 구조의 반도체 가스 센서의 제조 과정에 대해 상세히 설명한다.

도 6a 내지 도 6g는 본 발명에 따른 브리지 및 다층 전극 구조의 반도체 가스 센서의 제조 과정을 나타낸 공정 순서도이다.

도 6a 내지 도 6g를 참조하면, 실리콘 웨이퍼나, 알루미나 웨이퍼등을 기 설정된 규격의 평면 크기 및 두께로 기판(110)을 생성하고, 기판 상에 이산화규소(SiO2), 질화실리콘(SiNx) 및 탄탈룸산화물(TaOx), 알루미늄산화물(Al2O3) 등 가운데 적어도 하나의 박막을 종래에 알려진 Oxidation, PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition), ALD(Atomic Layer Deposition) 등 여러가지 방법 중에서 선택된 어느 하나를 이용하여 상기 기판(110)에 증착하여 멤브레인막(111)을 형성한다[도 6a].

그리고, 반도체 공정 호환성이 높고, 녹는점이 높은 텅스텐(W)을 멤브레인 막(111) 상에 증착하고 기 설정된 패턴에 따라 패터닝하여 히터 전극(130)을 형성한다[도 6b]. 물론, 히터 전극(130)은 현재 널리 사용되는 Pt, Pt와 Ti가 혼합된 금속, Pt와 Ta가 혼합된 금속, Mo와 Ti가 혼합된 금속, 폴리 실리콘(Poly Si) 중에서 적어도 하나를 이용하여 형성될 수도 있다.

그 다음으로, 히터 전극(130)이 형성된 멤브레인막(111) 상에 이산화규소(SiO2), 질화실리콘(SiNx), 탄탈룸산화물(TaOx) 및 산화알루미늄(Al2O3) 중 적어도 하나를 증착하여 절연막(120)을 형성한다[도 6c].

그 다음으로, 절연막(120) 내에서 히터 전극(130)의 일부가 노출되도록 식각하여 히터 전극용 패드(131)를 형성하고, 절연막(120) 상에 반도체 공정 호환성이 높고, 녹는점이 높은 텅스텐(W)을 증착하고 기 설정된 패턴에 따라 패터닝하여 감지 전극(150)을 형성한다[도 6d]. 물론, 감지 전극(150)은 현재 널리 사용되는 Pt, Pt와 Ti가 혼합된 금속, Pt와 Ta가 혼합된 금속, Mo와 Ti가 혼합된 금속, 폴리 실리콘(Poly Si) 중에서 적어도 하나를 이용하여 형성될 수도 있다. 또한, 감지 전극(150)은 Au 및 Pt 중 적어도 하나를 이용하여 형성될 수도 있다.

그리고, 감지 전극(150)의 일부를 노출시켜 감지 전극용 패드(151)를 형성하고, 감지 전극(150) 상에 감지막(152)을 형성한다[도 6d].

이때, 감지막(152)은 특정 가스에 감응하여 저항이 변하는 소정의 감지 물질을 감지 전극(150) 상에 증착한 후 열처리하여 형성되고, 상기 감지 물질로는 산화주석(SnO2), 이산화티타늄(TiO2), 텅스텐산화물(WO) 및 산화아연(ZnO) 중 적어도 하나 또는 어느 하나를 포함할 수 있다.

그 다음으로, 히터 전극(130)과 상기 히터 전극용 패드(131) 사이에 소자가 없는 잔여 영역을 절연막(120)에서 멤브레인막(111)까지 식각하여 제1 홀(181)을 형성하고, 감지 전극(150)과 상기 감지 전극용 패드(151) 사이에 소자가 없는 잔여 영역을 절연막(120)에서 멤브레인막(111)까지 식각하여 제2 홀(182)을 형성한다[도 6d].

그 다음으로, 히터 전극(130)과, 히터 전극용 패드(131)와, 절연막(120)과, 감지막(152)과, 제1 홀(181)과, 제2 홀(182) 및 감지 전극용 패드(151)가 형성된 기판(110) 상에 보호막(190)을 증착하여 형성한다[도 6e].

상기와 같이, 도 6a 내지 도 6d 과정에 의해 제조된 결과물 상에 보호막(190)을 형성하는 이유는, 이후 도 6f 과정에서 DRIE(Deep Reactive Ion Etching) 공정을 이용하여 홈(170)을 형성할 때 상기 보호막(190)이 없으면 제1 및 제2 홀(181, 182)을 통해 누출(gas leak)이 발생하여 진공 척(vacuum chuck)에 기판(웨이퍼)을 고정할 수 없으며 냉각이 불가능해지기 때문에 DRIE 공정을 진행할 수 없다.

따라서, 본 발명에서는 마지막으로 홈(170)을 형성하기 전에 히터 전극(130)과, 히터 전극용 패드(131)와, 절연막(120)과, 감지막(152)과, 제1 홀(181)과, 제2 홀(182) 및 감지 전극용 패드(151)가 형성된 기판(110) 상에 폴리머 재질의 보호막(190)을 증착한 후 상기 DRIE 공정을 이용하여 기판(110)의 양측면을 제외한 부분에서 기판(110)의 바닥면에서 기판(110)의 멤브레인막(111)과 만나는 상부면까지 식각하여 홈(170)을 형성한다[도 6f]. 이때, 홈(170)은 제1 및 제2 홀(181, 182)과 함께 개방된 형태로 형성될 수 있다.

그리고, 마지막으로 상기 홈(170)이 형성된 후에, 습식 식각, 건식 식각 또는 산소 가스등을 이용하여 상기 보호막(190)을 제거한다[도 6g].

한편, 감지막(152)은 도 6d의 과정처럼 제1 및 제2 홀(181, 182)이 형성되기 전에 만들어질 수도 있고, 또는 도 6g 과정의 보호막(190)이 제거된 후에 마지막으로 만들어질 수도 있다.

한편, 이하의 도 7와 같이, 본 발명에 따른 브리지 및 다층 전극 구조의 반도체 가스 센서는 상기 홈(170)을 둘 이상 구비하여 더욱 냉각 효과를 제공할 수도 있다.

도 7은 본 발명에 따른 둘 이상의 홈들을 구비한 브리지 및 다층 전극 구조의 반도체 가스 센서를 나타낸 단면도이다.

도 7을 참조하면, 상술한 도 6a 내지 도 6f 과정 이후 DRIE 공정을 이용하여 기판(110)의 양측면 및 중앙 영역 사이를 각각 식각하여 제1 및 제2 홈(171, 172)을 형성할 수 있다.

도 8은 종래의 멤브레인 구조의 반도체 가스 센서 대비 본 발명에 따른 브리지 구조의 반도체 가스 센서의 구동 온도 별로 소모 전력을 비교한 도표이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 브리지 구조의 반도체 가스 센서가 종래 멤브레인 구조의 반도체 가스 센서 대비 대략 25% 정도 소모 전력이 감소된 것을 알 수 있다.

상기와 같은, 본 발명에 따른 브리지 구조의 반도체 가스 센서는 둘 이상 연결되어 개별 구동 또는 동시 구동이 가능하다.

도 9는 본 발명에 따른 둘 이상의 반도체 가스 센서들의 어레이를 나타낸 제1 실시예 평면도이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 2×2 반도체 가스 센서의 개별 구동 및 히터 전극의 온도를 개별적으로 조절이 가능하고, 이 경우 열효율 측면에서 유리하고, 동시에 다양한 온도 제어 및 감지재 조합이 가능하다.

도 10은 본 발명에 따른 둘 이상의 반도체 가스 센서들의 어레이를 나타낸 제2 실시예 평면도이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 2×2 반도체 가스 센서가 병렬로 연결되어 동시 구동이 가능하고, 이 경우 각 히터 전극의 온도는 동일하게 조절 가능하다.

그 다음으로, 본 발명에 따른 마이크로 히터 전극 및 브리지 구조는 반도체 가스 센서뿐만 아니라 적외선 광원에도 적용될 수 있다.

이하, 도 11 및 도 12를 참조하여, 본 발명에 따라 마이크로 히터 전극 및 브리지 구조를 가지는 적외선 광원에 대해 상세히 설명한다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 브리지 구조의 적외선 광원을 나타낸 사시도이다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 브리지 구조의 적외선 광원을 나타낸 단면도이다.

도 11 및 도 12를 참조하면, 상기 적외선 광원은 기판(110)과, 멤브레인 막(111)과, 히터 전극(130)과, 히터 전극용 패드(131)와, 방사층(192)과, 홈(170) 및 둘 이상의 제1 및 제2 홀(181, 182)을 포함하여 구성된다.

방사층(192)은 방사율(Emissivity)이 높은 흑체 또는 방사율을 높일 수 있는 금속 패턴으로 형성할 수 있다.

즉, 도 11 및 도 12와 같이, 본 발명에서는 홈(170)과, 제1 및 제2 홀(181, 182)의 개방된 브리지 구조를 통해 적외선 광원이 구동 시 히터 전극에 의해 발열되는 열이 방사층(192)에 잘 전도되도록 하면서, 동시에 열 전도를 통해 열 손실을 줄여서 소모 전력을 줄이고, 열응력을 완화시킬 수 있는 것이다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 해당 기술 분야의 통상의 기술자에게 자명하다.

상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims

기판; 및
상기 기판상에 형성되고, 패턴화된 적어도 하나의 히터 전극을 포함한 제1 레이어;를 포함하고,
상기 기판은, 양측면을 제외한 적어도 하나의 영역에 단열을 위한 홈이 형성되도록 식각 처리된, 반도체 가스 센서.
제1 항에 있어서,
상기 제1 레이어는, 상기 히터 전극 주변에 패턴화된 적어도 하나의 감지 전극을 포함하고,
상기 제1 레이어 및 상기 제1 레이어의 감지 전극 상에는 특정 가스 센싱을 위한 감지 물질을 포함한 감지막이 형성된, 반도체 가스 센서.
제1 항에 있어서,
상기 제1 레이어 상에 형성되고, 상기 제1 레이어 내의 히터 전극 상에 패턴화된 적어도 하나의 감지 전극 및 상기 감지 전극 상에 형성되어 특정 가스 센싱을 위한 감지 물질을 포함한 감지막을 포함한 제2 레이어;를 더 포함하는, 반도체 가스 센서.
제1 항에 있어서,
상기 홈은, 상기 기판의 바닥면으로부터 상기 제1 레이어와 만나는 상부면까지 식각되어 형성된, 반도체 가스 센서.
제1 항에 있어서,
상기 홈은, 상기 기판의 양측면을 제외한 중앙에서 상기 제1 레이어 내의 상기 히터 전극과 맞닿는 부분이 노출되도록 형성된, 반도체 가스 센서.
제1 항에 있어서,
상기 기판은, 상기 양측면 및 중앙 영역 사이의 각각의 제1 및 제2 영역에 상기 단열을 위한 각각의 제1 및 제2 홈이 형성되도록 식각 처리된, 반도체 가스 센서.
제1 항에 있어서, 상기 제1 레이어는,
상기 기판의 홈과 연결되어 단열을 위한 둘 이상의 제1 및 제2 홀(hole)을 더 포함하는, 반도체 가스 센서.
제7 항에 있어서,
상기 제1 레이어는, 상기 제1 레이어 내의 히터 전극과 전기적 연결을 위해 형성된 둘 이사의 제1 및 제2 히터 전극 패드를 더 포함하고,
상기 제1 홀은, 상기 제1 레이어 내의 히터 전극이 위치한 영역 및 상기 제1 히터 전극 패드 사이의 잔여 영역에 형성되며,
상기 제2 홀은, 상기 제1 레이어 내의 히터 전극이 위치한 영역 및 상기 제2 히터 전극 패드 사이의 잔여 영역에 형성되는, 반도체 가스 센서.