KR20200105027A - 전자빔 증착(e-beam evaporation)을 이용한 산화알루미늄 pH센서 제조방법 및 이로부터 제조된 pH 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 분야에서 사용되는 전자빔 증착(e-beam evaporation)을 사용하여 제조되는 산화알루미늄 pH센서 제조방법 및 이로부터 제조된 pH 센서에 관한 것으로서,
더욱 상세하게는, Si실리콘 웨이퍼와, 상기 Si실리콘 웨이퍼의 표면과 공기와의 반응에 의해 형성되는 이산화규소층(SiO2)과, 상기 이산화규소층(SiO2) 상부에 형성되는 전극층과, 상기 전극층 상부로 상부에 형성되는 산화알루미늄(Al2O3)막층과, 상기 산화알루미늄(Al2O3)막층 상부에 형성되되, 상기 전극층의 둘레에 형성되어 용기형상을 이루는 리저버(reservoir)를 포함하여 pH센서를 구성하여, 상기 용기형상을 이루는 리저버(reservoir)에 pH를 측정하고자 하는 용액을 떨어뜨리면, 상기 pH센서에 연결되는 트랜지스터를 통해 pH 값을 측정할 수 있도록 하는 전자빔 증착(e-beam evaporation)을 이용한 산화알루미늄 pH센서 제조방법 및 이로부터 제조된 pH 센서에 관한 것이다.
더욱 상세하게는, Si실리콘 웨이퍼와, 상기 Si실리콘 웨이퍼의 표면과 공기와의 반응에 의해 형성되는 이산화규소층(SiO2)과, 상기 이산화규소층(SiO2) 상부에 형성되는 전극층과, 상기 전극층 상부로 상부에 형성되는 산화알루미늄(Al2O3)막층과, 상기 산화알루미늄(Al2O3)막층 상부에 형성되되, 상기 전극층의 둘레에 형성되어 용기형상을 이루는 리저버(reservoir)를 포함하여 pH센서를 구성하여, 상기 용기형상을 이루는 리저버(reservoir)에 pH를 측정하고자 하는 용액을 떨어뜨리면, 상기 pH센서에 연결되는 트랜지스터를 통해 pH 값을 측정할 수 있도록 하는 전자빔 증착(e-beam evaporation)을 이용한 산화알루미늄 pH센서 제조방법 및 이로부터 제조된 pH 센서에 관한 것이다.
Description
본 발명은 반도체 분야에서 사용되는 전자빔 증착(e-beam evaporation)을 사용하여 제조되는 산화알루미늄 pH센서 제조방법 및 이로부터 제조된 pH 센서에 관한 것으로서,
더욱 상세하게는, Si실리콘 웨이퍼와, 상기 Si실리콘 웨이퍼의 표면과 공기와의 반응에 의해 형성되는 이산화규소층(SiO2)과, 상기 이산화규소층(SiO2) 상부에 형성되는 전극층과, 상기 전극층 상부로 상부에 형성되는 산화알루미늄(Al2O3)막층과, 상기 산화알루미늄(Al2O3)막층 상부에 형성되되, 상기 전극층의 둘레에 형성되어 용기형상을 이루는 리저버(reservoir)를 포함하여 pH센서를 구성하여, 상기 용기형상을 이루는 리저버(reservoir)에 pH를 측정하고자 하는 용액을 떨어뜨리면, 상기 pH센서에 연결되는 트랜지스터를 통해 pH 값을 측정할 수 있도록 하는 전자빔 증착(e-beam evaporation)을 이용한 산화알루미늄 pH센서 제조방법 및 이로부터 제조된 pH 센서에 관한 것이다.
pH(power of the hydrogen ion)는 용액의 산성이나 염기성을 수소 이온의 농도로 나타낸 것이다. 즉, pH는 물질의 산성 및 염기성의 정도를 나타내는 수치이다.
pH센서는 수소이온 농도를 측정하는 센서로서, 산, 염기도 적정, 화학반응동안 pH변화 모니터링, 광합성 동안 수조 내의 pH변화 모니터링, 산성비 조사, 강, 호수의 수질 조사 등 다양한 분야에 사용된다.
pH센서를 통해 측정되는 용액의 중성, 산성, 알카리성의 기준은 pH 7인 중성을 기준으로 pH 0에 가까울수록 산성도가 높고, pH 14에 가까울수록 알카리성이 높다고 판단한다.
본 발명은 이와 같은 pH 센서에 관한 발명으로서, 본 발명과 관련하여 대한민국 등록특허 10-0434759(등록일자 2004.05.27) '수소이온농도 및 용존산소량 측정센서 및 그 측정센서를이용한 측정장치'; 대한민국 등록특허 10-0999451(등록일자 2010.12.02) '전기분해 및 팔라듐의 수소 흡착을 이용한 피에이치 센서및 그 제조 방법'; 대한민국 등록특허 10-1301007(등록일자 2013.08.22) ' 혈관 내 피에이치 측정을 위한 플렉시블 피에이치 센서 '; 및 대한민국 등록특허 10-1896400(등록일자 2018.09.03) ' 나노필라 어레이 전극을 기반으로 하는 플렉서블 pH 센서 및 이의 제조방법 '에 대한 기술이 개시된 바 있다.
그러나 이와 같이 개시된 종래 기술들에는, 본 발명에서 제시하고자 하는, 전자빔(E-beam) 장비를 이용하여 표면에 굴곡이 없도록 산화알루미늄(Al2O3)막을 일정 두께로 증착시킴으로써 높은 민감도(sensitivity) 및 안정적인 pH 측정이 가능하여, 수질측정, 산성도 및 염기성도를 갖는 용액에 대한 pH 측정의 정확도를 높일 수 있는 pH 센서에 대한 기술이 개시되어 있지 않다.
따라서 본 발명에서는 전자빔(E-beam) 장비를 이용하여 pH 액에 대한 pH 측정의 정확도를 높일 수 있는 pH 센서 기술을 본 발명을 통해 제시하고자 한다.
본 발명은 반도체 분야에서 사용되는 전자빔 증착(e-beam evaporation)을 이용하여 제조되는 pH센서를 제공하고자 하는 것으로서,
더욱 구체적으로는, 제작 및 구조가 간단하면서도 전자빔 증착(e-beam evaporation)을 이용하여 제조함으로써 pH 측정의 정확도가 높아 수질측정, 산성도 및 염기성도를 갖는 용액의 pH측정이 안정적이면서 정확하게 이루어질 수 있도록 하는, 전자빔 증착(e-beam evaporation)을 이용한 산화알루미늄 pH센서 제조방법 및 이로부터 제조된 pH 센서를 제공하고자 하는 것을 발명의 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 Si실리콘 웨이퍼의 상면에 공기와의 반응에 의해 형성되는 이산화규소(SiO2)층 상부로 음성감광제(negative photoresist) 처리하여 감광물질층을 형성하는 단계(S10)와,
반도체 포토장비를 이용하여, 제작하고자 하는 전극 형상과 동일 형상의 마스크판을 상기 감광물질층 상부로 소정의 간격을 두어 위치시키는 단계(S20)와,
상기 반도체 포토장비를 이용하여, 상기 마스크판 상부에서 감광물질층 방향으로 빛을 쏘아 노광처리함으로써, 상기 마스크판에 의해 마스크처리된 부분의 감광물질을 제외한 나머지 부분의 감광물질을 경화시키는 단계(S30)와,
노광처리를 거친 Si실리콘 웨이퍼를 현상(develop)하여, 상기 마스크처리에 의해 비경화된 부분의 액상 감광물질을 제거하는 단계(S40)와,
감광물질이 경화되어 형성된 감광물질층과, 상기 단계(S40)를 거쳐 액상 감광물질이 제거됨으로써 상기 감광물질층의 일부에 형성되는 홈을 포함하여 전면에 전자빔 증착(e-beam evaportation)을 이용하여 크롬(Cr)을 증착하여 크롬접착층을 형성하는 단계(S50)와,
상기 크롬접착층의 상부로 전자빔 증착(e-beam evaportation)을 이용하여 금(Au)을 증착하여 전극층을 형성하는 단계(S60)와,
리프트 오프(Lift off)를 통해 감광물질층, 크롬접착층 및 전극층이 순차적으로 적층형성되어 일체를 이루는 비사용부를 제거하는 단계(S70)와,
상기 단계(S70)를 거쳐 남은, Si실리콘 웨이퍼, 이산화규소(SiO2)층, 크롬접착층 및 전극층이 순차적으로 적층형성되어 일체를 이루는 센서부의 상부로 센서막 기능을 갖는 산화알루미늄(Al2O3)을 증착하여 산화알루미늄(Al2O3)막층을 형성하는 단계(S80)와,
상기 산화알루미늄(Al2O3)막층이 형성되어 있는 전극층의 둘레로 상온경화형 실리콘을 이용하여 용기 형상의 리저버(reservoir)를 형성하는 단계(S90)를 포함하여 구성되는, 전자빔(E-beam)을 이용한 산화알루미늄 pH센서 제조방법을 제공한다.
또한 상기 산화알루미늄 pH센서 제조방법을 통해 제조된 산화알루미늄 pH센서로서,
Si실리콘 웨이퍼와,
상기 Si실리콘 웨이퍼의 표면과 공기와의 반응에 의해 형성되는 이산화규소층(SiO2)과,
상기 이산화규소층(SiO2) 상부에 형성되는 전극층과,
상기 전극층 상부로 상부에 형성되는 산화알루미늄(Al2O3)막층과,
상기 산화알루미늄(Al2O3)막층 상부에 형성되되, 상기 전극층의 둘레에 형성되어 용기형상을 이루는 리저버(reservoir)를 포함하여 구성되는 pH센서를 제공한다.
본 발명에 따라 제공되는 산화알루미늄 pH센서는 반도체 분야에서 사용되는 전자빔(E-beam)을 사용하여 제조되는 것으로서, 제작 및 구조가 간단하면서도 전자빔(E-beam) 장비를 이용하여 표면에 굴곡이 없도록 산화알루미늄(Al2O3)막을 일정 두께로 증착시킴으로써 높은 민감도(sensitivity) 및 안정적인 pH 측정이 가능하여, 수질측정, 산성도 및 염기성도를 갖는 용액에 대한 pH 측정의 정확도가 높아 결과의 높은 신뢰도를 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 산화알루미늄 pH센서의 제조공정 순서도.
도 2는 본 발명에 따른 산화알루미늄 pH 제조공정 중 S10 단계의 적층구조를 보인 측단면도.
도 3은 본 발명에 따른 산화알루미늄 pH 제조공정 중 S20 단계의 적층구조를 보인 측단면도.
도 4는 본 발명에 따른 산화알루미늄 pH 제조공정 중 S30 단계의 적층구조를 보인 측단면도.
도 5는 본 발명에 따른 산화알루미늄 pH 제조공정 중 S40 단계의 적층구조를 보인 측단면도.
도 6은 본 발명에 따른 산화알루미늄 pH 제조공정 중 S50 단계의 적층구조를 보인 측단면도.
도 7은 본 발명에 따른 산화알루미늄 pH 제조공정 중 S60 단계의 적층구조를 보인 측단면도.
도 8은 본 발명에 따른 산화알루미늄 pH 제조공정 중 S70 단계의 적층구조를 보인 측단면도.
도 9는 본 발명에 따른 산화알루미늄 pH 제조공정 중 S80 단계의 적층구조를 보인 측단면도.
도 10은 본 발명에 따른 산화알루미늄 pH 제조공정 중 S90 단계의 적층구조를 보인 측단면도.
도 11은 본 발명에 따른 산화알루미늄 pH센서를 포함하는 pH 측정시스템의 전체사시도.
도 2는 본 발명에 따른 산화알루미늄 pH 제조공정 중 S10 단계의 적층구조를 보인 측단면도.
도 3은 본 발명에 따른 산화알루미늄 pH 제조공정 중 S20 단계의 적층구조를 보인 측단면도.
도 4는 본 발명에 따른 산화알루미늄 pH 제조공정 중 S30 단계의 적층구조를 보인 측단면도.
도 5는 본 발명에 따른 산화알루미늄 pH 제조공정 중 S40 단계의 적층구조를 보인 측단면도.
도 6은 본 발명에 따른 산화알루미늄 pH 제조공정 중 S50 단계의 적층구조를 보인 측단면도.
도 7은 본 발명에 따른 산화알루미늄 pH 제조공정 중 S60 단계의 적층구조를 보인 측단면도.
도 8은 본 발명에 따른 산화알루미늄 pH 제조공정 중 S70 단계의 적층구조를 보인 측단면도.
도 9는 본 발명에 따른 산화알루미늄 pH 제조공정 중 S80 단계의 적층구조를 보인 측단면도.
도 10은 본 발명에 따른 산화알루미늄 pH 제조공정 중 S90 단계의 적층구조를 보인 측단면도.
도 11은 본 발명에 따른 산화알루미늄 pH센서를 포함하는 pH 측정시스템의 전체사시도.
이하, 본 발명에 따른 기술 구성에 대한 구체적인 내용에 대해 살펴보도록 한다.
도 1에 도시된 바와 같이,
본 발명에 따른 전자빔 증착(e-beam evaporation)을 이용한 산화알루미늄 pH센서 제조방법은 Si실리콘 웨이퍼의 상면에 공기와의 반응에 의해 형성되는 이산화규소(SiO2)층 상부로 음성감광제(negative photoresist) 처리하여 감광물질층을 형성하는 단계(S10)와,
반도체 포토장비를 이용하여, 제작하고자 하는 전극 형상과 동일 형상의 마스크판을 상기 감광물질층 상부로 소정의 간격을 두어 위치시키는 단계(S20)와,
상기 반도체 포토장비를 이용하여, 상기 마스크판 상부에서 감광물질층 방향으로 빛을 쏘아 노광처리함으로써, 상기 마스크판에 의해 마스크처리된 부분의 감광물질을 제외한 나머지 부분의 감광물질을 경화시키는 단계(S30)와,
노광처리를 거친 Si실리콘 웨이퍼를 현상(develop)하여, 상기 마스크처리에 의해 비경화된 부분의 액상 감광물질을 제거하는 단계(S40)와,
감광물질이 경화되어 형성된 감광물질층과, 상기 단계(S40)를 거쳐 액상 감광물질이 제거됨으로써 상기 감광물질층의 일부에 형성되는 홈을 포함하여 전면에 전자빔 증착(e-beam evaporation)을 이용하여 크롬(Cr)을 증착하여 크롬접착층을 형성하는 단계(S50)와,
상기 크롬접착층의 상부로 전자빔 증착(e-beam evaporation)을 이용하여 금(Au)을 증착하여 전극층을 형성하는 단계(S60)와,
리프트 오프(Lift off)를 통해 감광물질층, 크롬접착층 및 전극층이 순차적으로 적층형성되어 일체를 이루는 비사용부를 제거하는 단계(S70)와,
상기 단계(S70)를 거쳐 남은, Si실리콘 웨이퍼, 이산화규소(SiO2)층, 크롬접착층 및 전극층이 순차적으로 적층형성되어 일체를 이루는 센서부의 상부로 센서막 기능을 갖는 산화알루미늄(Al2O3)을 증착하여 산화알루미늄(Al2O3)막층을 형성하는 단계(S80)와,
상기 산화알루미늄(Al2O3)막층이 형성되어 있는 전극층의 둘레로 상온경화형 실리콘을 이용하여 용기 형상의 리저버(reservoir)를 형성하는 단계(S90)를 포함하여 구성된다.
상기 산화알루미늄 pH센서 제조방법을 구성하는 각 단계별 기술 구성에 대해 상세한 내용을 살펴보도록 한다.
1. S10 단계
본 단계(S10)는 도 2에 도시된 바와 같이, Si실리콘 웨이퍼(10)의 상면에 공기와의 반응에 의해 형성되는 이산화규소(SiO2)층(20) 상부로 음성감광제(negative photoresist) 처리하여 감광물질층(30))을 형성하는 단계이다.
반도체 소자에 사용되는 물질들은 빛에 노출되어도 그 특성이 변화되지 않아, 노광공정을 통해 마스크 원판의 회로설계를 웨이퍼로 전사하기 위해서는 매개체가 필요한데 그 매개체를 감광제(photoresist, PR)라 한다.
상기 감광제는 특정 파장의 빛을 받아 현상액(developing solution)에서의 용해도가 변하는 특성을 이용해 후속 현상(develop) 처리 과정 중 빛을 받은 부분과 그렇지 않은 부분을 선택적으로 제거할 수 있는 물질을 말한다. 일반적으로 많이 사용되는 감광제는 현상액(developing solution)을 이용하여 빛에 의하여 선택적으로 변화된 부분을 제거하게 되는데, 빛을 받은 부위가 현상액(developing solution)에 의해 잘 녹는 경우를 positive resist, 그 반대를 negative resist라고 한다
상기 감광물질층(30)은 음성감광제(negative photoresist)를 스핀코터(Spin coater)를 이용한 스핀코팅 처리하여 상기 이산화규소(SiO2)층(20) 상부로 펴서 층을 이룸으로써 형성된다. 이때 상기 감광물질층(30)의 두께는 1.0 ~ 6.0 ㎛ 범위를 유지하도록 한다.
2. S20 단계
본 단계(S20)는 도 3에 도시된 바와 같이, 반도체 포토장비를 이용하여, 제작하고자 하는 전극 형상과 동일 형상의 마스크판(100)을 상기 감광물질층 상부로 소정의 간격을 두어 위치시키는 단계이다.
본 단계는 노광처리의 전단계로서, 반도체 포토장비를 이용하여 감광물질층(30)으로 빛을 쏘아주게 되면 감광물질을 경화시킨다. 다만 마스크판(100)이 상부에 형성되어 빛이 닿지 않는 부분은 경화되지 않음으로써, 감광물질층(30) 내에 경화부분과 비경화부분이 공존하게 된다.
3. S30 단계
본 단계(S30)는 도 4에 도시된 바와 같이, 반도체 포토장비를 이용하여, 상기 마스크판(100) 상부에서 감광물질층(30) 방향으로 빛을 쏘아 노광처리함으로써, 상기 마스크판(1에 의해 마스크처리된 부분의 감광물질을 제외한 나머지 부분의 감광물질을 경화시키는 단계이다.
즉, pH 센서를 제조하기 위해 마스크처리된 부분을 제외한 나머지 부분은 빛에 노출되어 경화됨으로써 고상을 이루나, 마스크처리된 부분은 액상 상태 그대로를 유지하게 된다.
4. S40 단계
본 단계(S40)는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 단계(S30)를 거친 Si실리콘 웨이퍼를 현상(develop)하는 단계이다.
상기 상기 단계(S30)를 거친 Si실리콘 웨이퍼의 상부에 형성되는 감광물질층(30)은 고상과 액상의 상태가 공존하고 있는 상태로서, 현상(develop)과정을 통해 상기 액상의 감광물질을 제거한다.
상기 감광물질층(30)으로부터 액상의 감광물질을 제거하게 되면, 제거된 부분에 홈이 형성되어 Si실리콘 웨이퍼(10)의 상면에 형성되는 이산화규소(SiO2)층(20)이 외부로 노출되게 된다.
5. S50 단계
본 단계(S50)는 도 6에 도시된 바와 같이, 감광물질이 경화되어 형성된 감광물질층(30)과, 상기 단계(S40)를 거쳐 액상 감광물질이 제거됨으로써 상기 감광물질층(30)의 일부에 형성되는 홈(301)을 포함하여 전면에 전자빔 증착(e-beam evaporation)을 이용하여 크롬(Cr)을 증착하여 크롬접착층(40)을 형성하는 단계이다.
상기 전자빔 증착(E-beam evaporation)법은 PVD(physical vapor deposition)법 중 하나로서, 상기 PVD(physical vapor deposition)법에 해당하는 증착법에는 스퍼터링 (Sputtering), 전자빔증착법(E-beam evaporation), 열증착법(Thermal evaporation), 레이저분자빔증착법(L-MBE, Laser Molecular Beam Epitaxy), 펄스레이저증착법(PLD, Pulsed Laser Deposition) 등이 있다.
이 방법들이 공통적으로 PVD(physical vapor deposition)에 묶일 수 있는 이유는 증착시키려는 물질이 기판에 증착될 때 기체상태가 고체상태로 바뀌는 과정이 물리적인 변화를 보이기 때문이다.
상기 전자빔 증착(e-beam evaporation)을 이용하여 고상의 감광물질층 상면과 상기 홈을 이루는 면에 전체적으로 크롬(Cr)을 증착하여 크롬접착층을 형성하게 되며, 이때 상기 크롬접착층의 두께는 1.0 nm ~ 5.0 nm의 범위 내로 한다. 보다 바람직하게는 3.0 nm 이다.
상기 크롬접착층(40)을 형성하는 이유는 상기 홈(301)에 증착하여 형성되는 금(Au)을 이산화규소(SiO2)층 상면에 고정시키기 위한 것이다.
6. S60 단계
본 단계(S60)는 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 크롬접착층(40)의 상부로 전자빔 증착(e-beam evaporation)을 이용하여 홈(301) 내부로 금(Au)을 증착시켜 전극층(50)을 형성하는 단계이다. 이때 형성되는 상기 전극층(50)은 pH센서의 전극 기능을 갖는다.
7. S70 단계
본 단계(S70)는 도 8에 도시된 바와 같이, 리프트 오프(Lift off)를 통해 감광물질층(30)을 포함하는 비사용부를 제거하는 단계이다.
즉, 감광물질층(30), 크롬접착층(40) 및 전극층(50)이 순차적으로 적층형성되어 일체를 이루는 비사용부를 본 단계를 통해 제거한다.
상기 리프트 오프(Lift off)는 선택적 도포 공정에서 사용하는 방법이다. 고상 상태의 감광물질층(30), 크롬접착층(40) 및 전극층(50)이 일체로 적층구조를 이루는 부분은 pH센서 제작과정에서 발생되는 비사용부분으로서, pH센서를 구성하는 Si실리콘 웨이퍼(10), 이산화규소(SiO2)층(20), 크롬접착층(40) 및 전극층(50)이 일체로 적층구조를 이루는 부분과 리프트 오프(Lift off)를 통해 분리된다.
8. S80 단계
본 단계(S80)는 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 단계(S70)를 거쳐 남은, Si실리콘 웨이퍼(10), 이산화규소(SiO2)층(20), 크롬접착층(40) 및 전극층(50)이 순차적으로 적층형성되어 일체를 이루는 센서부의 상부로 센서막 기능을 갖는 산화알루미늄(Al2O3)을 증착하여 산화알루미늄(Al2O3)막층(60)을 형성하는 단계이다.
9. S90 단계
본 단계(S90)는 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 산화알루미늄(Al2O3)막층(60)이 형성되어 있는 전극층(50)의 둘레로 상온경화형 실리콘을 이용하여 용기 형상의 리저버(reservoir)(70)를 형성하는 단계이다.
상기 리저버(reservoir)(70)는 용기 형상을 이룸으로써, pH를 측정하고자 하는 용액을 상기 리저버(reservoir)(70)의 내부에 떨어뜨림으로써, 측정전극을 이루는 상기 전극층(50)과 전기적으로 연결되는 트랜지스터를 통해 pH 측정값을 확인할 수 있도록 한다.
상기 제시된 공정에 따라 제조된 본 발명에 따른 pH센서(1)는 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이,
Si실리콘 웨이퍼(10)와,
상기 Si실리콘 웨이퍼(10)의 표면과 공기와의 반응에 의해 형성되는 이산화규소층(SiO2)(20)과,
상기 이산화규소층(SiO2)(20) 상부에 형성되는 전극층(50)과,
상기 전극층(50) 상부로 상부에 형성되는 산화알루미늄(Al2O3)막층(60)과,
상기 산화알루미늄(Al2O3)막층(60) 상부에 형성되되, 상기 전극층(50)의 둘레에 형성되어 용기형상을 이루는 리저버(reservoir)(70)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 pH센서의 총 면적은 1.0 mm × 1.0 mm 내지 3.0 mm × 3.0 mm 범위 내를 유지하는 것이 바람직하다.
상기 면적이 1.0 mm × 1.0 mm 미만인 경우에는, 용액의 pH 측정이 어려울 수 있으며, pH 측정의 정확성 및 트랜지스터로의 신호전달 기능이 떨어질 수 있다.
또한 상기 면적이 3.0 mm × 3.0 mm를 초과하게 되는 경우에는, 제조단가가 너무 상승하여 산업상 이용가능성이 떨어진다.
본 발명에 따른 pH센서(1)는 Extended-gate FET 구조를 이루어 트랜지스터와 전기적으로 연결된다.
상기 pH센서(1)를 이용한 pH 측정은 상기 리저버(reservoir)(70)로 측정하고자 하는 용액을 떨어뜨리면, pH값에 따라 pH 센서의 표면의 전하가 변하게 되고 이는 전기적을 연결되는 트랜지스터의 문턱전압에 변화를 주어 pH값을 감지하게 된다.
더욱 상세하게는, pH 3 ~ 6의 산성용액의 경우, 표면이 양전하 상태가 되고 상대적으로 낮은 전압에서도 트랜지스터가 동작하는 반면, pH 8 ~ 12의 염기성용액의 경우, 표면이 음전하 상태가 되고 상대적으로 높은 전압을 인가해야 트랜지스터가 동작하게 되어, 이와 같은 차이를 통해 pH값을 감지하게 된다.
도 11은 본 발명에 따른 산화알루미늄 pH센서를 포함하는 pH 측정시스템의 전체사시도를 나타낸 것으로서,
본 발명에 따라 제조된 산화알루미늄 pH센서(1)와 기준전극을 도시하고 있으며, 도 11에 도시되어 있지는 않으나 트랜지스터 등의 전압측정장치를 포함하여 pH 측정 시스템을 구성하게 된다. 즉 pH 측정시스템은 상기, 산화알루미늄 pH센서(1), 기준전극 및 전압측정장치를 포함하여 구성된다.
상기 pH 측정시스템을 구성하기 위해서는 두 개의 전극이 필요하며, 산화알루미늄 pH센서(1)에 포함되는 측정전극(Glass Electrode)과 상기 기준전극(Reference Electrode)이 이에 해당한다. 상기 측정전극은 용액의 pH 값에 비례하는 기전력을 발생시키는 구조로 되어 있다.
본 발명에 따른 산화알루미늄 pH센서는 반도체 분야에서 사용되는 전자빔 증착(e-beam evaporation)을 사용하여 제조되는 것으로서, 제작 및 구조가 간단하면서도 전자빔 증착(e-beam evaporation) 장비를 이용하여 표면에 굴곡이 없도록 산화알루미늄(Al2O3)막을 일정 두께로 증착시킴으로써 높은 민감도(sensitivity) 및 안정적인 pH 측정이 가능하여, 수질측정, 산성도 및 염기성도를 갖는 용액에 대한 pH 측정의 정확도가 높아 결과의 높은 신뢰도를 가질 수 있어 산업상 이용가능성이 크다.
1: pH센서
10: Si실리콘 웨이퍼
20: 이산화규소(SiO2)층
30: 감광물질층
40: 크롬접착층
50: 전극층
60: 산화알루미늄(Al2O3)막층
70: 리저버(reservoir)
100: 마스크판
10: Si실리콘 웨이퍼
20: 이산화규소(SiO2)층
30: 감광물질층
40: 크롬접착층
50: 전극층
60: 산화알루미늄(Al2O3)막층
70: 리저버(reservoir)
100: 마스크판
Claims (6)
- Si실리콘 웨이퍼(10)의 상면에 공기와의 반응에 의해 형성되는 이산화규소(SiO2)층(20) 상부로 감광물질을 음성감광제(negative photoresist) 처리하여 감광물질층(30)을 형성하는 단계(S10)와,
반도체 포토장비를 이용하여, 제작하고자 하는 전극 형상과 동일 형상의 마스크판(100)을 상기 감광물질층(30) 상부로 소정의 간격을 두어 위치시키는 단계(S20)와,
상기 반도체 포토장비를 이용하여, 상기 마스크판(100) 상부에서 감광물질층(30) 방향으로 빛을 쏘아 노광처리함으로써, 상기 마스크판(100)에 의해 마스크처리된 부분의 감광물질을 제외한 나머지 부분의 감광물질을 경화시키는 단계(S30)와,
노광처리를 거친 Si실리콘 웨이퍼를 현상(develop)하여, 상기 마스크처리에 의해 비경화된 부분의 액상 감광물질을 제거하는 단계(S40)와,
감광물질이 경화되어 형성된 감광물질층(30)과, 상기 단계(S40)를 거쳐 액상 감광물질이 제거됨으로써 상기 감광물질층(30)의 일부에 형성되는 홈(301)을 포함하여 전면에 전자빔 증착(e-beam evaporation)을 이용하여 크롬(Cr)을 증착하여 크롬접착층(40)을 형성하는 단계(S50)와,
상기 크롬접착층(40)의 상부로 전자빔 증착(e-beam evaporation)을 이용하여 금(Au)을 증착하여 전극층(50)을 형성하는 단계(S60)와,
리프트 오프(Lift off)를 통해 감광물질층(30)을 포함하는 비사용부를 제거하는 단계(S70)와,
상기 단계(S70)를 거쳐 남은, Si실리콘 웨이퍼(10), 이산화규소(SiO2)층(30), 크롬접착층(40) 및 전극층(50)이 순차적으로 적층형성되어 일체를 이루는 센서부의 상부로 센서막 기능을 갖는 산화알루미늄(Al2O3)을 증착하여 산화알루미늄(Al2O3)막층(60)을 형성하는 단계(S80)와,
상기 산화알루미늄(Al2O3)막층(60)이 형성되어 있는 전극층(50)의 둘레로 상온경화형 실리콘을 이용하여 용기 형상의 리저버(reservoir)(70)를 형성하는 단계(S90)를 포함하여 구성되는 것임을 특징으로 하는 전자빔 증착(e-beam evaporation)을 이용한 산화알루미늄 pH센서 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
감광물질층(30)의 두께는 1.0 ~ 6.0 ㎛ 임을 특징으로 하는 전자빔 증착(e-beam evaporation)을 이용한 산화알루미늄 pH센서 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
감광물질층(30)은 스핀코터(Spin coater)를 이용한 스핀코팅처리하여 형성되는 것임을 특징으로 하는 전자빔 증착(e-beam evaporation)을 이용한 산화알루미늄 pH센서 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
산화알루미늄(Al2O3)막층(60)은 10.0 nm ~ 1.0 ㎛ 임을 특징으로 하는 전자빔 증착(e-beam evaporation)을 이용한 산화알루미늄 pH센서 제조방법.
- 청구항 1 내지 청구항 4 중 선택되는 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 것으로서Si실리콘 웨이퍼(10)와,
상기 Si실리콘 웨이퍼(10)의 표면과 공기와의 반응에 의해 형성되는 이산화규소층(SiO2)(20)과,
상기 이산화규소층(SiO2)(20) 상부에 형성되는 전극층(50)과,
상기 전극층(50) 상부로 상부에 형성되는 산화알루미늄(Al2O3)막층(60)과,
상기 산화알루미늄(Al2O3)막층(60) 상부에 형성되되, 상기 전극층(50)의 둘레에 형성되어 용기형상을 이루는 리저버(reservoir)(70)를 포함하여 pH센서(1)를 구성되는 것임을 특징으로 하는 산화알루미늄 pH센서.
- 청구항 5에 있어서,
pH센서(1)의 면적은 1.0 mm × 1.0 mm 내지 3.0 mm × 3.0 mm 임을 특징으로 하는 산화알루미늄 pH센서.
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2019
- 2019-02-28 KR KR1020190023590A patent/KR102182898B1/ko active IP Right Grant
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