KR950008925B1 - 박막형 가스센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
내용 없음.
Description
제1도는 종래 기술에 따른 박막형 가스센서의 단면 구조도.
제2도는 제1도에 도시된 박막형 가스센서의 제조공정도.
제3도는 본 발명에 따른 박막형 가스센서의 단면 구조도.
제4도는 제3도에 도시된 박막형 가스센서의 제조공정도.
제5도는 본 발명에 따른 박막형 가스센서의 가스검지 특성도.
제6도는 본 발명에 따른 박막형 가스센서를 동작하기 위한 가스검지 회로도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 실리콘 웨이퍼 2 : 제1절연막
3 : 제2절연막 4,11 : 히터패턴
5 : 제3절연막 6,13 : 금속전극
7,14 : SnO2감지막 8 : 제4절연막
9 : 열차단층 10 : 제5절연막
12 : 제6절연막
본 발명은 가스의 존재 유, 무 또는 농도를 검지하는 박막형 가스센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 감지층(Sensing Layer)형성 방법을 스퍼터링(sputtering) 대신 졸-겔(sol-gel) 방법에 의한 스핀코팅법으로 형성하고, 열차단 효과를 위한 후면식각(Backside Etching) 대신 열용량이 큰 뮬라이트(Mullite)(2SiO2ㆍ3Al2O3)을 형성하여 공정을 크게 단순화 시키도록 하는 박막형 가스센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
제1도는 종래 기술에 따른 박막형 가스센서의 단면구조도로서 이에 도시된 바와같이 이방성 식각된 실리콘 웨이퍼(1)위에 제1절연막(2)과 제2절연막(3)이 연속형성되고 상기 제2절연막(3)위에 히터로 사용되는 히터패턴(4)이 형성되며, 상기 히터패턴(4)위에 접촉창(Contact Hole)이 형성된 제3절연막(5)이 형성되고, 상기 제3절연막(5)위에 금속전극(6)과 SnO2감지막(7)이 차례로 형성되어 구성된다.
이와같이 구성되는 종래 박막형 가스센서의 제조방법을 첨부한 제2도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
제2도는 종래 기술에 따른 박막형 가스센서의 제조공정도로서, 이에 도시된 바와같이 양면 연마된 400μm 두께의 P형(100), 실리콘웨이퍼(1) 상, 하부에 습식산화법으로 2μm의 제1절연막(2)을 각각 형성한 후, 상기 실리콘 웨이퍼 상부의 제1절연막(2)위에 스퍼터링방법으로 제2절연막(3)인 Si3N4를 증착한 다음, 상기 제2절연막(3)위에 약 1000Å의 백금막(Pt)을 디씨 스퍼터(D.C.sputter)를 사용하여 증착한 후 마스크를 사용하여 특정한 형태의 모양으로 식각하여 히터패턴(4)을 형성한다. 여기서 히터패턴(4)이란, Pt 박막을 패터닝하여 히터의 역할을 하는 패턴으로 만든것을 뜻한다.
이와같이 형성된 히터패턴(4)위에 제3절연막(5)인 SiO2를 3000Å의 두께를 가지도록 RF(radio frequency) 스퍼터(sputter)로 증착하고, 식각마스크를 이용하여 상기 히터패턴(4)의 접촉창(Contact Hole)을 형성한다.
이후, 상기 제3절연막(5)위에 2000Å의 백금(Pt)을 디씨 스퍼터로 증착한후 마스크를 이용한 식각공정으로 금속전극(6)을 형성하고, 이어서 상기 금속전극(6)위에 Sn막을 스퍼터링법으로 증착한후 포지티브 감광막(photoresist) 패턴을 마스크로 패턴화하고, 이후 550℃ 공기 중에서 8시간 열산화하여 SnO2감지막(7)을 형성한다.
백금(Pt)을 첨가한 SnO2박막의 경우에는 디씨 스퍼터에 의해 열산화된 SnO2막 위에 약 70Å의 백금을 증착한 후 550℃ 공기중에서 8시간 어닐닝한다.
이후, 상기 실리콘 웨이퍼 하부에 형성된 제1절연막(2)을 감광막 패턴을 사용한 광식각법으로 식각처리하여 제1절연막 패턴을 형성하고, 탈이온수 100ml에 30g의 KOH가 용해된 85℃의 용액에 상기 소자를 넣어 후면식각(Backside Etching)을 행한 뒤, 버퍼용액(hf)으로 제1절연막 패턴을 제거하므로써 제1도에 도시된 바와 같이 실리콘 웨이퍼(1)가 이방성식각된 박막형 가스센서가 제조된다.
즉, 실리콘 웨이퍼(1) 상. 하부에 형성된 제1절연막(2)은 후면식각시 식각 정지층으로 사용될 뿐 아니라 윗면히터와 웨이퍼간의 전기적 절연층으로 사용되기도 한다.
그러나, 상기에서 설명한 종래 박막형 가스센서는 그 제조방법에 있어 스퍼터 등의 증착을 위한 진공장비와 기술이 필요하기 때문에 공정시간이 오래 걸리고, 설비투자비가 많이 소요되며, 설비유지보수에 많은 노력이 필요하고, 또한 후면식각을 위해서는 양면이 연마된 고가의 웨이퍼를 사용해야하며 웨이퍼의 앞, 뒷면의 정렬(alignment)을 해야하므로 공정이 복잡해지는 문제점이 있었다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 SnO2감지막형성을 스퍼터링 대신에 졸-겔(sol-gel)방법에 의한 스핀코팅법으로 형성하고, 열차단효과를 위해 후면식각대신 열용량이 큰 뮬라이트(Mullite) (2SiO2,3Al2O3)을 형성하여 공정을 단순화시키도록 한 박막형 가스센서 및 그 제조방법을 창안한 것으로, 이를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
제3도는 본 발명에 의한 박막형 가스센서의 단면구조도로서, 이에 도시한 바와같이 한쪽면만 연마된 실리콘웨이퍼(1)위에 제4절연막(8), 열차단층(9) 및, 제5절연막(10)을 연속으로 형성하고 상기 제5절연막(10)위에 히터패턴(11)을 형성하며, 상기 히터패턴(11)위에 접촉창이 형성된 제6절연막(12)을 형성하고, 그 위에 금속전극(13)과 SnO2감지부(14)를 연속형성하여 구성한다.
이와같이 구성한 본 발명 박막형 가스센서의 제조방법을 첨부한 제4도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
제4도는 본 발명 박막형 가스센서의 제조공정도로서 이에 도시한 바와같이 한쪽면만 연마(polishing)된 실리콘웨이퍼(1)을 세척, 건조한후 그 위에 열산화(Thermal Oxdation)법으로 SiO2를 증착하여 제4절연막(80)을 형성시킨다.
이후 뮬라이트(2SiO2ㆍ3Al2O3) 조성을 위한 알콕사이드(Alkoxide)를 알콜에 용해시켜 졸용액(sol Solution)으로 합성한후 이것을 스핀코터(spin coater)를 이용해서 상기 제4절연막(8)위에 코팅하여 열차단층(9)을 형성하고, 그 열차단층(9)위에 스퍼터링방법으로 Si3N4를 증착하여 제5절연막(10)을 형성한다.
상기 제5절연막(10)위에 금속(Pt,Au,…)을 스퍼터링(sputtering)이나 증착(Evaporation)법으로 증착한후 패터닝하여 히터패턴(11)을 형성하고, 상기 히터패턴(11)위에 다시 SiO2를 증착하여 제6절연막(12)을 형성한다.
이와같이 형성한 상기 제6절연막(12)중 상기 히터패턴(11)으로 부터 리드와이어(Leadwire)를 뽑아낼 수 있도록 일부분을 식각하여 접촉창(Contact Hole)을 형성한다.
이와같이 접촉창이 형성된 상기 제6절연막(12) 위에 스퍼터링이나 증착법으로 금속물질을 증착한후 패터닝하여 금속전극(13)을 형성한다음 알콕사이드를 알콜에 용해시켜 졸용액을 만들어 이졸용액을 스핀코팅(spin coating)방법으로 상기 금속전극(13)위에 코팅하여 SnO2감지막(14)을 형성하여 박막형 가스센서를 제조한다.
이와같이 제조된 박막형 가스센서는 화합물인 뮬라이트(2SiO2ㆍ3Al2O3)로 열차단층(8)을 형성함으로써 종래의 후면식각(backside etching)에 의한 다이아프램(diaphram)구조가 필요없게되고, 감지부의 표면이 전극형태에 따라 굴곡이 생겼던 것이 평탄한 감지부를 갖게된다.
특히 스퍼터링에 의한 SnO2감지부(6)의 SnO2그레인(grain)크기에 비해 스핀코팅에 의한 SnO2감지부(14)의 SnO2그레인크기, 즉 결정립크기가 훨씬 작기 때문에 비교면적(unit volume당 표면적)이 크게되므로 가스와 접촉할수 있는 표면이 크게되어 검지하고자 하는 가스에 대한 감도(Sensitivity)가 훨씬 높아질수 있다.
한편, 상기 열차단층(9)은 히터패턴(11)으로 부터 실리콘 몸체로의 열흐름을 효과적으로 차단시켜 열손실을 크게 줄일수 있는데 그 이유는 뮬라이트(2SiO2, 3A12O3)의 열용량이 Si3N4에 비해 약 10배 정도 크기 때문이다.
제5도는 본 발명 박막형 가스센서의 가스검지특성도로서, 보는 바와같이 본 발명은 종래의 가스센서에 비해 2배이상 향상된 것을 알수 있다.
한편, 제6도는 본 발명 박막형 가스센서를 동작시키기 위한 회로구성도로서, 이에 도시한 바와같이 전압(VC)을 인가하여 저항(RL)이나 센서에 걸리는 전압을 출력하는데 통상 저항(RL)에 걸리는 전압을 출력한다.
또한 센서의 동작온도를 유지하기 위한 히터에는 별도의 전원공급선을 설치하여 전압(V1)을 인가한다. 일반적으로 박막형 가스센서를 동작하는데 필요한 전력은 0.1∼1.0 와트(Watt) 정도이다.
상기에서 설명한 바와같이 본 발명은 후면식각공정의 생략으로 인해 고가의 양면연마된 웨이퍼대신 저가의 한면 연마된 웨이퍼를 사용할수 있어 비용이 적게들고, 또한 후면식각을 위한 화학에칭시 자주발생하는 불량을 없앨수 있어 생산수율을 높일수 있는 효과와, 감지부를 졸용액으로 스핀-코팅함에 따라 졸-겔 공정의 장점인 아주 초미세, 균일한 결정립크기를 갖게되므로 센서의 감도를 향상할수 있는 효과가 있다.
Claims (4)
- 실리콘웨이퍼(1)위에 열산화법으로 제4절연막(8)을 형성하는 단계와, 상기 제4절연막(8)위에 열차단층(9)을 형성하는 단계와, 상기 열차단층(9)위에 제5절연막(10)을 형성하는 단계와, 상기 제5절연막(10)위에 히터패턴(11)을 형성하는 단계와, 상기 히터패턴(11)위에 제6절연막(12)을 형성한후 그 제6절연막(12)에 히터패턴(11)의 접촉창을 형성하는 단계와, 상기 제6절연막(12)위에 금속전극(13)을 형성하는 단계와, 상기 금속전극(13)위에 SnO2감지막(14)을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 가스센서 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 열차단층(9)은 뮬라이트(2SiO2ㆍ3Al2O3)로 이루어진것을 특징으로 하는 박막형 가스센서 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 SnO2감지막(14)은 알콕사이드(Alkoxide)를 알콜에 용해시켜 졸(so1)용액을 만든후 이 졸용액을 스핀코팅(spin coating)하여 형성하는 것을 특징으로 하는 박막형 가스센서 제조방법.
- 실리콘 웨이퍼(1)위에 제4절연막(8), 열차단층(9), 제5절연막(10)이 연속으로 형성되고, 상기 제5절연막(10)위에 히터패턴(11)이 형성되고, 상기 히터패턴(11)위에 접촉창이 형성된 제6절연막(12)이 형성되고, 상기 제6절연막(12)위에 금속전극(13)과 SnO2감지막(14)이 차례로 형성되어 구성되는 것을 특징으로 하는 박막형 가스센서.
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