KR20220033685A - 정전용량형 습도센서 및 그 제조방법 - Google Patents

정전용량형 습도센서 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정전용량형 습도센서에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 실리콘 기판을 이용하여 제작된 정전용량형 습도센서가 빛에 의하여 정전용량값이 변하는 문제를 발견하고 이를 해결하기 위해, 반도체 제조공정 기술을 이용하여 빛에 의한 영향을 차단하기 위한 차단층을 포함하는 정전용량형 습도센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
보다 더 구체적으로 본 발명에 대하여 설명하면, 절연층이 형성된 실리콘 기판, 상기 실리콘 기판 상에 햇빛에 의한 영향을 차단하기 위한 차단층, 상기 차단층 상에 형성되는 습도센서 전극; 습도센서 전극 상에 형성되는 감습층을 포함하는 정전용량형 습도센서를 제공한다.

Description

정전용량형 습도센서 및 그 제조방법{The cppacitance type humidity sensor and fabrication metod thereof}
본 발명은 정전용량형 습도센서에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 실리콘 기판을 이용하여 제작된 정전용량형 습도센서가 빛에 의하여 정전용량값이 변하는 문제를 해결하기 위해, 반도체 제조공정 기술을 이용하여 빛에 의한 영향을 차단하기 위한 차단층을 포함하는 정전용량형 습도센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근, 가전제품, 의료기기, 주택, 사무실, 빌딩, 제품생산을 위한 공장, 작물재배를 위한 온실 등 온도 및 습도 제어에 대한 필요성은 점점 증대되고 있으며, 습도 제어를 위한 습도센서는 전기저항식과 정전용량식이 적용되고 있으나, 정밀한 습도 측정분야에는 정전용량식 습도센서가 대부분 적용되고 있다.
도 9는 종래기술에 의한 적층형 구조 습도센서를 나타내고 있는데, 지금까지 정전용량형 습도센서는 글래스 웨이퍼(glass wafer) 기판 상에 적층 구조로 형성되는 것이 일반적이었으며, 이는 기판 상에 박막 공정을 통해 하부전극을 형성하고, 그 상부에 수분의 흡착·탈착을 통해 습도를 감지하기 위한 감습층과 상부전극을 차례로 형성하여 커패시터 형태의 구조를 구성한 후, 패드영역에 리드프레임을 부착하여 전기적 연결을 하는 방식을 갖는 구조라 할 수 있다.
그러나 위와 같은 적층구조의 정전용량형 습도센서는 IDT(InterDigiTated) 구조에 비해 공정이 복잡하고 공정 비용이 과다한 단점을 가진다. 또한, 일정한 두께 이상을 가져야 하는 감습층으로 인해 패드전극(상부전극)의 형성 시 감습막 경계면에서 또는 패드전극 형성 후 열처리 시 상부전극과 감습층 간의 열 팽창계수의 차이로 인해 패드전극이 끊어지는 문제점이 있으며, 이를 해결하기 위해 부가적인 공정들이 필요하게 된다.
도 10 내지 도 11은 종래 기술에 의해 제조된 정전용량형 습도센서에 대한 것으로 일정한 온도 및 습도 환경에서 조도변화에 따른 정전용량값 변화 그래프를 보여주고 있다.
종래의 정전용량형 습도센서에 의한 경우, 일정한 온/습도(25℃, 50%RH)를 유지한 챔버 안에 습도센서를 삽입한 후 조도 변화에 따른 정전용량값 변화를 측정한 결과 조도 변화에 따라 정전용량값이 변하는 문제를 보였으며, 이는 센서의 손실율이 안정적이지 못하고 변화폭이 크게 나타남을 의미하는 것으로 전수검사를 수행하는 센서의 특성 상 동일한 온도/습도 환경에서 조도변화에 따른 용량값, 즉 습도값의 변화는 적용환경에 따라서는 50%RH 환경임에도 불구하고 조도의 변화(예: 형광등 On/Off 전환 등)에 따라 고습(80%RH) 또는 저습(30%RH)상태라고 인식하여 연동되는 장비들의 가동 등 알 수 없는 현상으로 습도센서에 대한 성능과 신뢰성에 심각한 문제를 야기할 수 있다.
따라서, 정전용량형 습도센서에 있어서, 빛의 조도 변화로 인해 발생하는 정전용량값 오차(Error)를 해결하기 위한 구조와 제조방식이 요구되고 있다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 기판 절연층과 습도센서 전극사이에 빛으로 인한 영향을 차단하는 차단층을 구비함으로써, 습도센서가 빛의 조도변화에 따른 정전용량값 오차(Error)를 제거하고, 기생 커패시턴스 영향과 습도변화에 따른 손실률(Loss Coefficient) 변화를 최소화함으로써, 환경 변화에 따른 측정 오차 발생을 방지하고, 센싱 성능이 우수한 정전용량형 습도센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 반도체 제조공정을 이용하여 반도체 기판 상에 습도센서 전극과 습도센서 패드 전극이 동시에 형성될 수 있는 빗살구조(IDT: Interdigitated) 를 채택함으로써, 기존 적층형 구조의 패드전극(상부전극)이 끊어지는 문제를 해결함과 함께 습도센서 크기를 줄이고, 제조 공정을 단순화하여 수율을 높이고 대량생산이 가능하여 생산 원가를 절감할 수 있는 정전용량형 습도센서를 제공하는 또 다른 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 일측면에 의하면, 실리콘 기판상에 절연층을 형성하는 단계; 상기 절연층의 일부 영역 상에 폴리머를 이용하여 형성되는 차단층을 형성하는 단계; 상기 차단층 상에 IDT(InterDigiTated) 구조의 습도센서 전극을 형성함과 동시에 차단층이 형성되지 아니한 절연층의 상부에 습도센서 패드 전극을 형성하는 단계; 및 상기 습도센서 전극 상에 감습층을 형성하는 단계; 를 포함하는 정전용량형 습도센서 제조방법을 제공한다.
본 발명에서 상기 실리콘 기판에 절연층을 형성하는 단계는, 반도체 공정으로 2,000 ~ 10,000Å 두께의 산화막(SiO2) 또는 질화막(Si3N4)을 형성하는 단계인 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 차단층 형성단계는, 상기 절연층 상에 폴리이미드(Polyimid) 용액을 도포하는 단계; 핫플레이트(Hot Plate)를 이용하여 140℃ ~ 150℃에서 180초 ~ 300초 동안 선행 열처리하거나, 또는 오븐(Oven)을 이용하여 140℃ ~ 150℃에서 10분 ~ 20분 동안 선행 열처리하는 단계; 포토레지스트 공정을 이용하여 습도센서 패드 전극이 안착될 영역을 식각하여 절연층 일부를 노출시키는 단계; 및 열처리 장비를 이용하여 질소 분위기에서 300℃ 내지 400℃ 에서 50분 ~ 70분 동안 열처리를 수행하는 단계; 를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 IDT 구조의 습도센서 전극 및 습도센서 패드 전극을 형성하는 단계는, 식각 공정으로 상기 절연층 및 차단층 상에 습도센서 전극, 습도센서 패드 전극을 패터닝(Patterning)하는 단계; 및 반도체 증착 방법을 이용하여 1 ~ 2㎛ 두께로 습도센서 전극 및 습도센서 패드 전극을 동시에 형성하는 단계; 를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 감습층을 형성하는 단계는, 상기 습도센서 전극 및 습도센서 패드 전극이 형성되어 있는 영역 상에 폴리이미드(Polyimid)를 코팅하는 단계; 핫플레이트(Hot Plate)를 이용하여 140℃ ~ 150℃에서 180초 ~ 300초 동안 선행 열처리하거나, 또는 오븐(Oven)을 이용하여 140℃ ~ 150℃에서 10분 ~ 20분 동안 선행 열처리하는 단계; 포토레지스트 공정을 이용하여 습도센서 패드 전극상의 감습층을 식각하여 제거하는 단계; 및 열처리 장비를 이용하여 질소 분위기에서 300℃ 내지 400℃ 에서 50분 ~ 70분 동안 열처리를 수행하는 단계; 를 포함하는 것이 바람직하다.
전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 타측면에 의하면, 실리콘으로 형성되는 기판; 상기 기판상에 형성되는 절연층; 상기 절연층의 일부 영역 상에 형성되는 차단층; 상기 차단층 상에 형성되되, IDT(InterDigiTated) 구조를 갖는 습도센서 전극; 상기 차단층이 형성되지 아니한 절연층의 상부 영역에 형성되되, 상기 습도센서 전극과 전기적으로 연결된 습도센서 패드 전극; 및 상기 습도센서 전극 상에 형성되는 감습층; 을 포함하되, 상기 차단층은 폴리머를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 정전용량형 습도센서를 제공한다.
본 발명에서 상기 절연층은 이산화규소(SiO2) 또는 질화규소(Si3N4) 중 어느 하나 이상의 물질이 2,000 ~ 10,000Å두께로 상기 실리콘 기판에 적층됨으로써 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 차단층은 절연 특성을 가진 물질을 적용하되, 폴리이미드(Polyimid)를 이용하여 형성되는 것이 바람직하며, 본 발명에서 상기 감습층도 폴리이미드(Polyimid)를 이용하여 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 습도센서 전극 및 습도센서 패드 전극은, 각각 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 백금(Pt) 또는 금(Au) 중 어느 하나의 금속을 이용하여 박막 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 정전용량형 습도센서에 의하면, 실리콘 기판의 절연층과 습도센서 전극(전극층) 사이에 차단층을 형성함으로써, 빛에 따른 용량값 변화를 제거하고, 습도변화에 따른 손실률을 안정화시킴으로써 센싱 성능이 향상되는 효과가 있다.
종래 기술에 의한 정전용량형 습도센서는 그 대량생산 및 양산화를 위해서는 습도조절을 위해 빛에 의한 영향을 고려한 챔버 및 측정 시스템을 구축해야만 우수한 센싱 성능을 얻을 수 있었는데, 본 발명에 의하면, 차단층 형성을 통해 습도센서를 제조함으로써, 대량생산을 위한 센서 측정 및 보정(Calibration)을 위하여 빛에 의한 영향을 고려한 챔버 및 측정 시스템을 구축할 필요가 없어 궁극적으로는 제조 시 생산 원가를 현저히 절감하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 빗살구조(IDT : Interdigitated)의 습도센서 전극을 채택함으로써, 정전용량형 습도센서 제조 시 센서의 크기를 줄이고, 습도센서 전극과 패드 전극을 단일 공정으로 형성함으로써, 종래의 적층형 구조에 비해 공정을 단순화하여 제조 비용 저감, 수율 증가와 함께 대량 생산이 가능한 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 의한 정전용량형 습도센서 및 그 제조방법의 단계적 공정도.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 정전용량형 습도센서의 광학현미경 이미지.
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 정전용량형 습도센서 및 전극구조 이미지.
도 8은 본 발명의 실시예에 의한 정전용량형 습도센서가 PCB 패키징된 모습을 나타낸 이미지.
도 9는 종래기술에 의한 적층형 구조 습도센서의 예시도.
도 10은 종래기술에 의한 적층형 습도센서의 빛의 조도 변화에 따른 정전용량값 변화 그래프.
도 11은 종래기술에 의한 IDT구조 습도센서의 빛의 조도 변화에 따른 정전용량값 변화 그래프.
도 12는 본 발명의 실시예에 의한 정전용량형 습도센서의 빛의 조도 변화에 따른 정전용량값 변화 그래프.
도 13은 본 발명의 실시예에 의한 정전용량형 습도센서의 습도변화에 따른 특성 그래프.
도 14는 본 발명의 실시예에 의한 정전용량형 습도센서의 상대습도 변화에 대한 반응속도 그래프.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 IDT 구조 설명을 위한 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 의한 정전용량형 습도센서 및 그 제조방법의 단계적 공정도이다.
도 1은 실리콘 기판(100)을 도시하고 있으며, 도 2는 실리콘 기판(100) 상에 절연층(200)이 형성된 모습을 도시하고 있다.
먼저, 본 발명에 따른 실리콘 기판(100)은 반도체 공정이 가능한 기판으로, 반도체 소자나 집적회로(IC)를 만들기 위한 실리콘 기판일 수 있으며, 상기 실리콘 기판(100)의 상부면에 절연층(200)이 형성된다. 다만, 발명의 필요에 따라 실리콘 기판(100)의 하부면에도 절연층이 형성될 수 있을 것이다.
상기 절연층(200)은 전기 또는 열을 통하지 않도록 절연소재를 이용하여 만들어진 별도의 층을 의미하는데, 반도체 장비 및 공정을 이용하여 산화막(SiO2) 또는 질화막(Si3N4) 중 어느 하나 이상의 물질이 기판에 적층됨으로써 형성한다.
이때, 상기 절연층(200)은 2,000~10,000Å 사이의 범위의 두께로 형성될 수 있다. 또한 발명의 필요에 따라 실리콘 기판(100) 상에 폴리머를 코팅한 후 유리전이 온도를 감안한 온도에서 열경화 과정을 수행하여 절연층으로 이용할 수도 있을 것이다.
본 발명에서 상기 절연층(200)은 실리콘 기판(100)과의 접착력을 향상시키고 안정적인 공정을 위하여 폴리이미드를 사용하는 것이 바람직하며, 실리콘 기판(100) 상에 폴리머 또는 폴리이미드를 도포한 후, 핫플레이트(Hot Plate)를 이용하여 140℃ 내지 150℃에서 180초 내지 300초 동안 선행 열처리를 수행한 후, 열처리 장비를 이용하여 질소 분위기에서 300℃ 내지 400℃ 에서 60분 동안 후행 열처리하여 절연층으로 이용하는 것이 바람직하다.
도 3a 내지 도 3b는 상기 절연층(200) 상에 차단층(300)이 형성되어 있는 모습을 도시하고 있다.
본 발명에서 상기 절연층(200)이 형성되면, 차단층(300) 형성을 위해 폴리머 용액을 절연층(200) 상에 1 ~ 3㎛ 두께로 스핀코팅하여 도포한다.
상기 차단층(300) 형성을 위한 폴리머 용액으로는 폴리이미드 용액을 사용하는 것이 바람직하며, 발명의 필요에 따라 상기 절연층(200) 상에 접착력을 강화하기 위한 접착력 강화 물질을 코팅한 후 폴리머 또는 폴리이미드를 도포하여 형성하는 것이 바람직하다.
상기 차단층(300)은 발명의 필요에 따라 Poly(pyromellitic dianhydride - co-4, 4'-oxydianiline), amic acid solution　용액을 NMP(메탈피롤리돈)와 1대1 또는 1대2 비율로 합성한 후 교반하여 적용할 수도 있을 것이다.
상기 접착력 강화 물질은 HMDS 계열의 용액을 이용할 수 있으며 100 Å ~ 500 Å 두께로 증착할 수 있을 것이다.
상기 절연층(200) 상에 차단층(300) 형성을 위한 폴리머 용액이 도포되면, 핫플레이트(Hot Plate)를 이용하여 140℃ 내지 150℃에서 180초 내지 300초 동안 열처리를 수행하거나, 또는 오븐(Oven)을 이용하여 140℃ 내지 150℃에서 10분 내지 20분 동안 선행 열처리 공정을 수행하게 된다.
상기 선행 열처리 공정은, 핫플레이트(Hot Plate) 또는 오븐(Oven)을 이용한 소프트베이킹(Soft Baking) 과정이라 할 수 있다.
이와 같은 선행 열처리를 완료한 후, 반도체 사진식각공정을 이용하여 습도센서 전극(400)이 형성될 영역을 제외한 나머지 영역을 제거한다. 즉, 습도센서 패드 전극(410)이 형성될 영역의 경화된 폴리머 용액층을 제거하게 된다.
위와 같이 차단층(300) 형성을 위한 패터닝 작업 후, 상기 절연층(200) 상의 포토레지스터를 아세톤을 이용하여 제거하고 세정하게 되며, 이후 열처리 장비를 이용하여 질소 분위기에서 300℃ 내지 400℃ 에서 50분 내지 70분(바람직하게는 60분 가량) 동안 후행 열처리를 수행함으로써 차단층(300)을 형성하게 된다(도 3b 참조).
이때 후행 열처리 후의 차단층(300)의 두께는, 후 공정인 습도센서 전극(400) 형성 시 그 금속 박막 형성이 용이하도록 0.01 ㎛ ~ 0.4 ㎛ 로 형성하는 것이 바람직하다.
이와 같이 본 발명은 절연층(200)과 습도센서 전극(400)사이에 빛으로 인한 영향을 차단하는 차단층(300)을 구비함으로써, 습도센서가 빛의 조도변화에 따른 정전용량값 오차(Error)를 제거할 수 있으며, 더 나아가 기생 커패시턴스 영향과 습도변화에 따른 손실률(Loss Coefficient) 변화를 최소화함으로써, 측정 오차 발생을 방지하고, 센싱 성능의 우수성을 담보할 수 있게 된다.
도 4는 상기 절연층(200) 및 차단층(300) 상에 습도센서 전극(400)과 습도센서 패드전극(410)이 형성된 모습을 도시하고 있다.
상기 습도센서 전극(400)은 차단층(300)상에 형성되고, 습도센서 패드 전극(410)은 차단층(300)이 형성되지 아니하여 노출된 절연층(200)상에 형성되게 된다.
본 발명의 습도센서 전극(400)은 습도센서 패드전극(410)과 동시에 형성되며, 빗살 또는 양손의 손가락이 서로 엇갈린 형태인 IDT(Interdigitated) 구조로 형성된다.
이와 같이 상기 습도센서 전극(400)은 전기적인 연결을 위한 습도센서 패드 전극(410)을 일체화하도록 마스크 설계 및 제작을 하여 단위공정 수를 줄여 공정이 단순화 되는 잇점이 있다.
이와 같이 본 발명은 빗살구조(IDT: Interdigitated)의 습도센서 전극을 채택함으로써, 정전용량형 습도센서 자체의 크기를 줄이고, 습도센서 전극과 패드 전극을 단일 공정으로 형성함으로써, 제조 비용 저감 및 센서 개별 칩의 크기를 소형화하여 대량 생산이 가능한 장점이 있다.
또한, 습도센서 전극(400) 및 습도센서 패드전극(410)의 금속 박막은 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 백금(Pt) 또는 금(Au) 중 어느 하나의 금속을 이용하여 반도체 증착 장비를 이용하여 증착함으로써 박막 형태로 형성될 수 있다.
만약 습도센서 전극(400) 및 습도센서 패드전극(410)을 백금을 이용하여 형성하는 경우에는 E-Beam Evaporator를 이용한 증착방식 또는 스퍼터링(Sputtering) 증착방식을 이용하여 2,000 Å ~ 10,000Å 정도의 두께를 증착한 후 고온 열처리 공정을 선행하여 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 백금은 넓은 온도범위(-200 ~ 850℃)에 걸쳐 안정성, 직선성, 내화학성 등이 우수한 특징이 있다.
상기 스퍼터링 방식이란 진공증착법의 일종으로 비교적 낮은 진공도에서 플라즈마를 발생시켜 이온화한 아르곤 등의 가스를 가속하여 타겟에 충돌시킴으로써 목적의 원자를 분출시키고, 그 근방에 있는 기판 상에 막을 만드는 방법을 말한다. 이러한 방식은 센서의 제조수단으로 널리 이용되고 있으며, 그 종류로는 직류 스퍼터링, 고주파 스퍼터링, 이온빔 스퍼터링, 이온 플레이팅 등이 있다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 IDT 구조 설명을 위한 예시도가 도시되는데, 도 15에서 보여지는 수식에 의하면, 후술할 감습층(500)의 감습막 두께와 용량값과의 상관관계는, 최대 용량값이 h ≥ Wgap + Wfingers일 때 도달하지만 빠른 응답 특성을 위해서는 감습층의 두께를 최소화해야 하는 과제를 안고 있다.
따라서, 본 발명에서는 습도센서 전극 및 습도센서 패드 전극의 박막 두께를 일정하게 유지하고 패턴 폭 및 패턴 간격을 1 ~ 3㎛ 범위로 정한 후 위의 수식을 이용하여 감습층(500)의 적정 두께를 계산할 수 있을 것이다.
한편, 발명의 필요에 따라 상기 습도센서 전극(400) 및 습도센서 패드전극(410)과, 상부가 노출된 절연층(200) 및 차단층(300)과의 접착력 향상을 위하여 접착층(Adhesion Layer, 미도시)을 100 Å ~ 500 Å 두께로 먼저 증착할 수 있을 것이다.
상기 접착층(미도시)은 산화마그네슘(MgO), 크롬(Cr) 또는 티타늄(Ti) 등을 이용하여 증착할 수 있으며, 습도센서 전극 및 습도센서 패드 전극를 형성하는 백금 박막이 벌크 백금의 특성과 가까워지도록 1,000℃에서 1 ~ 4시간 정도 열처리 공정을 수행하는 것이 바람직하다.
도 5는 상기 습도센서 전극(400) 상에 감습층(500)을 형성한 모습을 도시하고 있다.
상기 습도센서 전극(400) 및 습도센서 패드전극(410)이 형성되면, 습도센서 전극(400) 상에 감습층(500)을 형성하게 된다. 상기 감습층(500)은 폴리머를 이용하여 형성될 수 있는데, 그 중 감광성 계열의 폴리이미드를 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.
감습층(500) 형성을 위해서, 상기 습도센서 전극(400)이 형성되어 있는 기판 전면에 폴리이미드를 코팅한 후, 핫플레이트(Hot Plate)를 이용하여 140℃ 내지 150℃에서 180초 내지 300초 동안 열처리를 수행하거나, 또는 오븐(Oven)을 이용하여 140℃ 내지 150℃에서 10분 내지 20분 동안 선행 열처리를 수행한다.
상기 선행 열처리를 완료한 후, 반도체 사진식각공정을 이용하여 감습층(500) 형성 영역을 정의하고 나머지 영역의 포토레지스터는 아세톤을 이용하여 제거하고 세정한다. 이 때, 감습층(500) 형성영역은 습도센서 전극(400)이 형성된 영역, 즉 습도센서 패드 전극(410)이 형성되지 아니한 영역일 수 있다.
이후, 열처리 장비를 이용하여 질소 분위기에서 300℃ 내지 400℃ 에서 50분 ~ 70분(바람직하게는 60분 가량) 동안 후행 열처리를 수행하여 감습층(500) 형성을 완료하게 된다.
또한, 발명의 필요에 따라 상기 감습층(500)은 폴리이미드 대신 그래핀 옥사이드로 형성될 수도 있는데, 이 때에는 스프레이 방식 또는 코팅 방식을 이용하여 그래핀 옥사이드로 습도센서 전극(400) 상에 감습막을 형성한 후, 열경화 공정을 수행하여 형성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의해 정전용량형 습도센서의 단위 셀(Cell)들이 실리콘 기판상에 구현된 실사 이미지이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 정전용량형 습도센서 및 전극구조에 대한 광학 현미경 이미지이다.
도 7은 본 발명에 따른 공정 조건에 따라 제작된 정전용량형 습도센서의 단일 셀(Cell) 및 IDT 구조의 습도센서 전극을 보여주는 광학현미경 이미지이며, 실리콘 기판상에 형성된 정전용량형 습도센서는 단위 셀 크기인 '1.54mm X 1.8mm'로 웨이퍼 다이싱(Dicing)을 통해 개별 소자를 형성한 후 패키징하여 최종적으로 정전용량형 습도센서를 완성하게 된다.
도 8은 본 발명의 실시예에 의한 정전용량형 습도센서의 단위 셀(Cell)로 분리된 후 PCB 상에 패키징된 정전용량형 습도센서의 일실시예를 나타낸 이미지이다.
즉, 도 8은 본 발명에 따른 정전용량형 습도센서의 개별 셀을 PCB 상에 다이 본딩, 와이어 본딩 및 센서 케이스(Case) 작업을 수행한 실사 이미지를 도시하고 있다.
도 9는 종래기술에 의한 적층형 습도센서의 개별 셀을 Lead Pin을 이용하여 전기적인 연결을 위한 작업을 수행한 실사 이미지를 도시하고 있다.
도 10은 종래기술에 의한 적층형 습도센서의 빛의 조도 변화에 따른 정전용량값 변화를 나타낸 그래프이고, 도 11은 종래기술에 의한 IDT구조 습도센서의 빛의 조도 변화에 따른 정전용량값 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10 내지 도 11은 일정한 온도 및 습도 환경에서 조도변화에 따른 정전용량값 변화 특성을 도시하고 있는데, 일정한 온/습도(25℃, 50%RH)를 유지한 챔버 안에 습도센서를 삽입한 후 조도 변화에 따른 정전용량값 변화를 측정한 결과 적층형 또는 IDT구조에 관계없이 조도 변화에 따라 정전용량값이 변하는 문제를 보였으며, 이는 습도센서의 손실율이 안정적이지 못하고 변화폭이 크게 나타남을 의미하는 것으로 습도센서의 성능과 신뢰성에 심각한 문제를 야기할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 의한 정전용량형 습도센서의 빛의 조도 변화에 따른 정전용량값의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10 내지 도 11의 실험조건과 마찬가지인 일정한 온/습도(25℃, 50%RH)를 유지한 챔버 안에 본 발명의 정전용량형 습도센서를 삽입한 후, 조도 변화에 따른 정전용량값 변화를 측정한 결과, 조도변화에 따른 정전용량값의 변화가 거의 없었으며 성능 안정화 및 신뢰성이 우수한 특성을 보임을 알 수 있다.
이는 본 발명이 상기 절연층(200) 상에 차단층(300)을 형성함으로써, 종래 기술에서는 간과되어 논의되지 않았던 센서 제조 후 특성 측정 시 발생하는 빛의 조도변화에 따른 정전용량값 오차(Error) 문제를 발견하고 해결하여 조도 변화와는 무관한 안정적인 성능을 보여주는 것이라 할 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시예에 의한 정전용량형 습도센서의 습도변화에 따른 특성을 나타낸 그래프이다.
도 13을 참조하면, 그 도시된 바와 같이 습도변화에 따른 정전용량값은 선형적인 특성을 보여주고 있으며, 본 발명의 정전용량형 습도센서에 의하면, 0%RH 내지 100%RH의 상대습도 범위의 측정이 가능하고 상대습도가 증가함에 따라 정전용량값이 선형적으로 증가함을 확인할 수 있었고, 습도 센싱 특성이 우수함을 알 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시예에 의한 정전용량형 습도센서의 상대습도 변화에 대한 반응속도를 나타낸 그래프이다.
본 발명에 따른 정전용량형 습도센서는, 습도센서 전극층 사이에 감습층이 형성되는 적층형 습도센서와는 달리, IDT 구조의 전극층 상에 감습층을 형성하여 수분에 바로 노출시킴으로서 최소한의 시간 내에 수분의 존재를 감지할 수 있게 하여 성능이 우수한 센싱 능력을 확인할 수 있었다.
이와 같이 본 발명은 측정 환경(조도 변화 포함)에 따른 정전용량형 습도센서의 정전용량값 오차를 줄여 안정적인 습도센서 특성을 얻음으로써, 종래의 습도센서들이 환경 변화에 따른 측정 오차 발생, 특히 조도 변화에 따라 용량값이 변화한다는 문제를 발견하고 해결함으로써 센싱 성능과 신뢰성이 우수한 정전용량형 습도센서를 제공할 수 있다.
이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
100: 실리콘 기판
200: 절연층
300: 차단층
400: 습도센서 전극
410: 습도센서 패드 전극
500: 감습층

Claims (10)

  1. 실리콘 기판상에 절연층을 형성하는 단계;
    상기 절연층의 일부 영역 상에 폴리머(Polymer)를 이용하여 형성되는 차단층을 형성하는 단계;
    상기 차단층 상에 IDT(InterDigiTated) 구조의 습도센서 전극을 형성함과 동시에 차단층이 형성되지 아니한 절연층의 상부에 습도센서 패드 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 습도센서 전극 상에 감습층을 형성하는 단계;
    를 포함하는 정전용량형 습도센서 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 실리콘 기판에 절연층을 형성하는 단계는,
    반도체 공정으로 2,000 ~ 10,000Å 두께의 산화막(SiO2) 또는 질화막(Si3N4)을 형성하는 하는 단계인 것을 특징으로 하는 정전용량형 습도센서 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 차단층 형성단계는,
    상기 절연층 상에 폴리이미드(Polyimid) 용액을 도포하는 단계;
    핫플레이트(Hot Plate)를 이용하여 140℃ ~ 150℃에서 180초 ~ 300초 동안 선행 열처리하거나, 또는 오븐(Oven)을 이용하여 140℃ ~ 150℃에서 10분 ~ 20분 동안 선행 열처리하는 단계;
    포토레지스트 공정을 이용하여 습도센서 패드 전극이 안착될 영역을 식각하여 절연층 일부를 노출시키는 단계; 및
    열처리 장비를 이용하여 질소 분위기에서 300℃ 내지 400℃ 에서 50분 ~ 70분 동안 열처리를 수행하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량형 습도센서 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 IDT 구조의 습도센서 전극 및 습도센서 패드 전극을 형성하는 단계는,
    식각 공정으로 상기 절연층 및 차단층 상에 습도센서 전극, 습도센서 패드 전극을 패터닝(Patterning)하는 단계; 및
    반도체 증착 방법을 이용하여 1 ~ 2㎛ 두께로 습도센서 전극 및 습도센서 패드 전극을 동시에 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량형 습도센서 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 감습층을 형성하는 단계는,
    상기 습도센서 전극 및 습도센서 패드 전극이 형성되어 있는 영역 상에 폴리이미드(Polyimid)를 코팅하는 단계;
    핫플레이트(Hot Plate)를 이용하여 140℃ ~ 150℃에서 180초 ~ 300초 동안 선행 열처리하거나, 또는 오븐(Oven)을 이용하여 140℃ ~ 150℃에서 10분 ~ 20분 동안 선행 열처리하는 단계;
    포토레지스트 공정을 이용하여 습도센서 패드 전극상의 감습층을 식각하여 제거하는 단계; 및
    열처리 장비를 이용하여 질소 분위기에서 300℃ 내지 400℃ 에서 50분 ~ 70분 동안 열처리를 수행하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량형 습도센서 제조방법.
  6. 실리콘으로 형성되는 기판;
    상기 기판상에 형성되는 절연층;
    상기 절연층의 일부 영역 상에 형성되는 차단층;
    상기 차단층 상에 형성되되, IDT(InterDigiTated) 구조를 갖는 습도센서 전극;
    상기 차단층이 형성되지 아니한 절연층의 상부 영역에 형성되되, 상기 습도센서 전극과 전기적으로 연결된 습도센서 패드 전극; 및
    상기 습도센서 전극 상에 형성되는 감습층; 을 포함하되,
    상기 차단층은 폴리머(polymer)를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 정전용량형 습도센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 절연층은 이산화규소(SiO2) 또는 질화규소(Si3N4) 중 어느 하나 이상의 물질이 2,000 ~ 1,000Å 두께로 상기 실리콘 기판에 적층됨으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 정전용량형 습도센서.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 차단층은 폴리이미드(Polyimid)를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 정전용량형 습도센서.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 감습층은 폴리이미드(Polyimid)를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 정전용량형 습도센서.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 습도센서 전극 및 습도센서 패드 전극은, 각각 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 백금(Pt) 또는 금(Au) 중 어느 하나의 금속을 이용하여 박막 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 정전용량형 습도센서.
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