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문제 정의
- 구별하기에는 어려움이 많았다. 최근에는 이런 단일 가스센서 의 문제 점 을 해 결하고자 가스센서 어레이에 대한 제조와 패턴인식에 대한 연구가 상낭히 활발하게 진행되고 있다" 侦 본 연구의 목적은 단일 가스 센서의 문제점을 해결할 수 있는 가스센서 어레이의 제조와 그 센서 어레이의 공정 수율을 증진시키는데있다. 이를 위해 소형화, 집 적화, 다기능화가 가능하고, 소비전력이 매우 낮으며, 양산성이 우수한 가스 센서 어레이를 실리콘 기판을 이용하여 박막 제조기술과 마이크로너시 닝 기술로 제조하고 가스 감지특성을 조사하였으며, 센서 소자의 히터 구조를 변경해 공정 상의 수율을 증진시켜 보고자 하였다.
제안 방법
- 800℃에서 LPCVD 방법으로 Si.N를 약 1000A 두께로 증착시키고, APCVD 방법으로 SiHi, PHa, O3가스를 사용하여 450℃에서 lum 두께의 PSG를 웨이퍼 전면에 성장시켰다. 히터는 Ti와 Pt로 구성되어 있는더}, Ti는 SisNd와 접착력을 향상시키는 동시에 버퍼 층으로서의 역할을 위해 약 500A 두께로 7.
- 스퍼터 링 방법으로 증착하였으며, Pt는 같은 스퍼터링 조건에서 2500A의 두께로 증착한 후 리프트 오프 공정으로 패턴을 형성하였다. Pt/Ti층은 스퍼터링 증착 후 550℃, N-> 분위기에서 30분 동안 열처리하였으며, 그 위에 절연층인 Si3N4를 5000A의 두께로 r.f. 스퍼터링 방법으로 증착하였다. 그 후, 사진식각 공정과 반응성 이온 식각(reactive ion etching: RIE) 공정에 의하여 Si3N4 절연막을 건식 식각하여콘택 홀(contact hole)을 형성하였으며, 히터의 패드■는 전기적인 접촉상태가 양호하면서 접착력을 좋게 하기 위하여 Pt 층을 5000A 정도 증착하였다.
- 가스센서 어레이의 특성 측성은 자동화된 즉정 시스템에서 행하였다. 가스에 대한 감도를 알아보기 위해 CMQH, CO, CHciSH, (CH:, )bN 등의 가스를 여 러가지 농도로 변화시키면서 각 감지막에 대해 측정하였4.
- 행하였다. 가스에 대한 감도를 알아보기 위해 CMQH, CO, CHciSH, (CH:, )bN 등의 가스를 여 러가지 농도로 변화시키면서 각 감지막에 대해 측정하였4.
- 반도체 제조공정과 미세가공 기술을 이용하여 4가지 산화물 반도체 박막 감지물질을 갖고, 변경된 히터구조를 갖는 초소형 가스센서 어레이를 제조한 결과 다음과 같은 결론을 내릴 수 있었다.
- 본 실험에서는 감도를 좀 더 정확히 측정하고자 감도를 S30m = (Rg30/Ra)m로 정의하였다. 여기서 S30 이 란 측정하려는 가스에 센서가 노출되고 30초가 경과한 시간에서의 감도를 나타내며, S30me 같은 실험을 5번 반복한 감도의 평균값을 의미한다.
- 즉, 4인치 크기의 실리콘 웨이퍼 상의 센서 소자는 동시에 192개가 제조될 수 있도록 설계되었는데 모든 공정을 마친 후의 수율은 약 20-30% 정도밖에 얻을 수 없었다. 소자의 공정 순서를 분석해 보았을 때 히터의 리프트 오프 공정 시 금속이 제대로 증착되지 않았을 확률이 있었을 것으로 사료되어 소자의 수율 향상을 위해 히터의 공정을 그림 7과 같이 변화시켜 보았다. 그 결과 가스 감지 특성, 히터 특성, 지지대의 특성 둥 소자의 특성에는 아무런 변화를 주지 않으면서 100%의 수율을 얻을 수 있었다.
- 최근에는 이런 단일 가스센서 의 문제 점 을 해 결하고자 가스센서 어레이에 대한 제조와 패턴인식에 대한 연구가 상낭히 활발하게 진행되고 있다" 侦 본 연구의 목적은 단일 가스 센서의 문제점을 해결할 수 있는 가스센서 어레이의 제조와 그 센서 어레이의 공정 수율을 증진시키는데있다. 이를 위해 소형화, 집 적화, 다기능화가 가능하고, 소비전력이 매우 낮으며, 양산성이 우수한 가스 센서 어레이를 실리콘 기판을 이용하여 박막 제조기술과 마이크로너시 닝 기술로 제조하고 가스 감지특성을 조사하였으며, 센서 소자의 히터 구조를 변경해 공정 상의 수율을 증진시켜 보고자 하였다.
- 그 후, 사진식각 공정과 반응성 이온 식각(reactive ion etching: RIE) 공정에 의하여 Si3N4 절연막을 건식 식각하여콘택 홀(contact hole)을 형성하였으며, 히터의 패드■는 전기적인 접촉상태가 양호하면서 접착력을 좋게 하기 위하여 Pt 층을 5000A 정도 증착하였다. 전극과 온도 센서는 같은 면에 히터의 제조조건과 동일하게 d.c. 스퍼터링 방법으로 형성하였으며, 전극과 온도센서의 패드도 히터의 패드와 동일한 조건으로 제조하였다. 감지 막은 r.
- 감지 물질 및 증착조건은 표 1에 나타내었다. 전력 소모를 줄이기 위하여 기판의 뒷면은 15mol%의 KOH 수용액으로 이방성 식각시킴으로써 멤브레인을 제조하였다. 기판 뒷면의 이방성 식각이 진행되는 동안 가스 감지 막이 증착되어 있는 기판의 전면은 KOH 식각 용액이 닿지 않도록 보호하였다.
대상 데이터
- % Pd 가 도핑된 SnO>, 6wt.% AhQ, 가 도핑된 ZnO, W0, ZnO의 4가지 산화물 반도체 물질을 증착하였다. 감지 물질 및 증착조건은 표 1에 나타내었다.
- 박막 가스센서 어레이를 제조하기 위하여 기판으로는 4인치 크기의 p형 (100) 실리콘 웨이퍼를 이용하였고, 각각의 마스크를 사용하여 그림 1과 같이 기판의 윗면에는 멤브레인, 히터, 절연막, 전극 및 온도센서, 4 개의 감지막 순으로 적층시키고, 기판의 뒷면은 이방성 식각을 하였다. 박막 가스센서 어레이의 공정순서는 다음과 같다.
성능/효과
- 1500xl5001im2S] 경우 250℃까지 가열하기 위해서 소비된 전력은 약 47mW 였고, 300℃는 약 60mW, 350℃는 약 75mW로 매우 적었다. 이것은 이전에 저자에 의해 발표된 단일 가스 센서"'에 비해 더 감소한 수치이며, 본 논문에서 제조된 센서 어레이는 소형 건 전지에 의해서도 충분히 Y 동할 수 있을 것으로 판단된다.
- 1. PSG(lum)/Si3N4(0.1Um) 멤브레인 위에 형성된 Pt(2500A)/Ti(500A) 구조의 가스센서 어레이의 히터는 매우 적은 전력 소모를 나타내었다(동작 온도 250笆일 때 약 47mW, 300℃ 일 때 약 60mW, 35012일 때 약 75mW).
- 2. ZnO, SnCh, WO3를 모물질로 하는 4종류의 감지 막을 가지는 가스센서 어레이는 C2H5OH, CO, CH3SH, (CH3):iN 등의 가스에 대한 감도 측정 결과 감도가 우수하였으며, 패턴인식에 이용할 경우 패턴 분리가 가능한 감도 값을 나타내어 제조된 박막 가스센서 어래이는 패턴인식과 결합되는 응용분야에 적용이 가능할 것으로 사료된다.
- 3. 변경된 히터 구조를 적용할 때 히터와 전극 간의 쇼트 현상에서 오는 수율 저하를 막을 수 있었으며, 그 결과 가스 감지 특성, 히터 특성, 지지대의 특성 등 소자의 특성에는 아무런 변화를 주지 않으면서 100%의 수율을 얻을 수 있었다.
- WQ;는 4가지 가스 전부에 대해 다른 물질들 보다더 좋은 감도를 나타내었고, ZnO는 CH3SH 가스에 대해 좋은 감도를 보여주었으며, 6 wt.% 出2。3가 도핑 된 ZnO는 CHsSH와 (CHDsN에 대해 CMQH와 CO보다 감도가 더 좋았다. 이상의 결과를 종합해 볼 때 본 실험에서 제조된 산화물 반도체 박막 가스센서 어레이는 여러 실험 가스들에 노출되었을 때 선택성 향상을 위한 패턴 인색®에 잘 적용될 수 있을 정도로 유용한 저항 변화를 나타R어 패턴인식에 잘 적용될 수 있을 것으로 사료된다.
- 그림 3-6은 300℃의 동작온도에서 4가지 다른 가스들에 대한 여러 가스 농도에서의 센서 어레이의 감도를 나타낸 것이다. WQ;는 4가지 가스 전부에 대해 다른 물질들 보다더 좋은 감도를 나타내었고, ZnO는 CH3SH 가스에 대해 좋은 감도를 보여주었으며, 6 wt.% 出2。3가 도핑 된 ZnO는 CHsSH와 (CHDsN에 대해 CMQH와 CO보다 감도가 더 좋았다.
- sN! 멤브레인 위에 형성된 Pt/Ti 히터의 가열된 온도와 전력소모의 관계는 그림 2와 같다. 그림 2 는 1200x1200 岫?과 150皈15(㎛mW 두 가지 크기의 멤브레인에 대한 히터 특성에 관한 것으로 멤브레인 크기가 클수록 히터의 전력 소모가 적음을 알 수 있었다. 이것은 멤브레인의 크기가 커지면서 측면 방향으로의 열전달이 줄어 들었기 때문인 것으로 생각되며, 두 가지 크기의 멤브레인 사이의 소비된 전력 차이가 작은 것은 상하 방향으로의 열손실에 대해서 큰 차이가 없어서인 것으로 사료도1다.
- 소자의 공정 순서를 분석해 보았을 때 히터의 리프트 오프 공정 시 금속이 제대로 증착되지 않았을 확률이 있었을 것으로 사료되어 소자의 수율 향상을 위해 히터의 공정을 그림 7과 같이 변화시켜 보았다. 그 결과 가스 감지 특성, 히터 특성, 지지대의 특성 둥 소자의 특성에는 아무런 변화를 주지 않으면서 100%의 수율을 얻을 수 있었다. 수율 개선을 위한 공정의 변화를 설명하면 다음과 같다.
후속연구
- 그러나 그림 8의 4와 같이 히터가 직사각형의 구조를 하지 않고 뿔이 달린 구조를 형성할 경우가 있게 된다. 이것은 히터를 증착시키는 스퍼터링의 공정과도 밀접한 관계를 갖고 있는 것으로 추정되는데 추후 이 공정에 대해 좀 더 밀도 있는 연구가 필요할 것으로 사료된다. 히터가 그림 8 의 4와 같은 모양을 하게 될 경우에는 그 다음 공정이 절연막과 전극 증착으로 이어지는데, 히터가 중간의 절연막 위로 나오게 되어 히터와 전극이 쇼트가 되는 사태가 벌어지게 되어 소자의 수율을 떨어트리게 되는 것이다.
- % 出2。3가 도핑 된 ZnO는 CHsSH와 (CHDsN에 대해 CMQH와 CO보다 감도가 더 좋았다. 이상의 결과를 종합해 볼 때 본 실험에서 제조된 산화물 반도체 박막 가스센서 어레이는 여러 실험 가스들에 노출되었을 때 선택성 향상을 위한 패턴 인색®에 잘 적용될 수 있을 정도로 유용한 저항 변화를 나타R어 패턴인식에 잘 적용될 수 있을 것으로 사료된다.
- 가스센서로 개발되고 있다. 현재는 벌크형과 후 막형의 가스센서가 주종을 이루고 있으나 향후에는 소형화, 집적화가 가능하고 가스 선택성이 향상된 박막형 및 박막형 가스센서 어레이가 여러 분야에서 이용될 것으로 예상된다.
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