KR100489297B1 - 씨브이디 디엘씨 박막을 이용한 오리피스형 가스 센서 및그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 NOx 가스를 검출하기 위하여 사용되는 DLC(Diamond Like Carbon) 박막을 이용하여, 검출대상의 가스의 흐름 속에서 지속적으로 대상 가스의 분압을 측정하기 위한, 오리피스(orifice) 형식의 MEMS 가스 센서의 제조방법 및 그 구조에 관한 것이다.
MEMS 공정으로 얻어진 경사 식각면에 DLC 박막을 형성하고, 동일한 경사 식각 구조를 반대면에 부착하여 오리피스 형태를 지니도록 하여, 가스 흐름이 지속적으로 발생하도록 하여, 대상 가스의 측정을 수행한다.
Description
본 발명은 NOx gas를 검출하기 위하여 사용되는 디엘씨(Diamond Like Carbon; 이하 'DLC'라 함)박막을 이용하여 검출 대상의 가스의 흐름 속에서 지속적으로 대상 가스의 분압을 측정하기 위한 씨브이디 디엘씨 박막을 이용한 오리피스형 가스 센서 및 그 제조방법에 관한 내용이다.
일반적으로 현재 주로 사용되고 있는 가스 센서(gas sensor)는 SnO 박막을 이용하고, 센서의 후면에서 백금 히터(heater) 등으로 감응막을 가열한 후, 검출 대상이 되는 가스와의 반응 과정에서 얻어지는 전도성 변화를 이용하여 측정대상 가스의 분압을 측정한다. 이때 검출대상 가스와 감응막의 원활한 반응을 위하여 백금 히터 등으로 감응막을 일정한 온도로 가열하게 된다.
그런데, 이러한 가열과정에서 히터의 구동을 위한 전력의 손실이 발생하며, 가열 과정이 센서 전체에 영향을 미쳐 사용시간이 단축되며, 특히 히터 구조로 인하여 다양한 형태의 센서부를 제조하기에 어려운 문제점이 있다. 또한 그 반응과정에 일정한 시간이 소요되므로 지속적인 가스의 흐름 안에서 연속적인 측정을 하기에는 많은 문제점을 지니고 있다.
따라서, 최근에는 이러한 히터를 사용하지 않는 방식의 DLC 박막을 사용하는 가스 센서가 개발되고 있으며, 이러한 DLC 가스 센서는 히터를 사용하여 감응막을 가열하지 않아도 되는 장점을 지니고 있다.
도 1에 이러한 종래의 DLC 가스 센서의 구조도를 나타내었다. 즉, 실리콘 웨이퍼(14) 상에 산화층(13; SiO2)을 형성한 후, 그 위에 DLC 층(12)를 형성하고, 그 위의 양단에 전극(10, 11)을 부착시킨 구조로 되어 있다.
도 1과 같은 종래의 DLC 가스 센서는 주로 NOx 가스를 검출하는 목적으로 사용되는데, NOx 가스의 N- 이온이 DLC 층(12) 표면에 부착되면 DLC 층(12)인 감응막 내부의 H+ 이온이 표면으로 끌려와 전도성이 변화하는 영역이 발생하게 된다. 이때 전도성이 변화하는 DLC 층(12)의 영역의 저항 변화를 전극(10, 11)으로 검출하여 가스 농도를 측정하게 된다.
이와 같은 동작원리를 지니는 DLC 가스 센서는 박막을 형성할 수 있는 구조인 경우 어떠한 형상으로라도 센서의 구조를 만들 수 있는데, 이는 종래에 후면에 반드시 설치되어야 했던 히터 구조가 생략되기 때문이다.
그러나, 이러한 종래의 DLC 가스 센서에 있어서도 가스의 흐름 방향에 상관없이 평면적인 배치를 가지는 DLC 층(12)의 구조로 인하여 가스의 접촉 면적이 상대적으로 작아질 수 밖에 없어서 감도 효율이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로서, 상기와 같은 종래의 DLC 가스 박막을 이용하여 오리피스 형식의 가스 센서를 만들고, 가스 유체의 흐름을 동적으로 관리하여 가스 접촉 실효 면적을 증대시킬 수 있는 씨브이디 디엘씨 박막을 이용한 오리피스형 가스 센서 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 가스 센서는
상측이 좁고 하측이 넓게 경사 식각된 실리콘 웨이퍼(24)와;
상기 실리콘 웨이퍼(24)의 경사면과 하면에 형성되는 DLC 층(22)과;
상기 DLC 층(22)의 연장선상에 형성되는 금속층(25, 26)과;
상기 금속층(25, 26)과 실리콘 웨이퍼(24) 사이에 형성되는 절연층(23)과;
상기 DLC 층(22)와 금속층(25, 26)의 접점에 형성되는 n+ 전극(20, 21)과;
상기 금속층(26)의 상면에 형성되는 에폭시층(27)과;
상기 에폭시층(27)의 상면에 형성되는 절연층(23')과;
상기 절연층(23)의 상면에 형성되며 상기 실리콘 웨이퍼(24)의 경사 식각 방향과 반대로 상측이 넓고 하측이 좁게 경사 식각된 실리콘 웨이퍼(24')로 구성됨을 특징으로 하는 씨브이디 디엘씨 박막을 이용한 오리피스형 가스 센서이다.
한편, 본 발명의 제조방법은
두 장의 실리콘 웨이퍼(24, 24')에 미리 정해져 있는 각도로 경사 식각을 행하는 단계와;
상기 실리콘 웨이퍼 중에서 상부가 좁고 하부가 넓게 식각된 실리콘 웨이퍼(24)에 DLC 층(22)에서 전극을 인출하기 위한 n+ 전극(20, 21)을 형성하는 단계와;
상기 실리콘 웨이퍼(24)의 상면에 절연층을 형성하는 단계와;
상기 실리콘 웨이퍼(24)의 경사 식각된 면을 포함하는 측면에 DLC 층(22)을 형성하는 단계와;
상기 전극(20, 21)을 인출하기 위한 금속층(25, 26)을 형성하는 단계와;
상기 상부가 넓고 하부가 좁게 식각된 나머지 실리콘 웨이퍼(24')를 경사 식각된 면이 하부의 실리콘 웨이퍼(24)와 반대방향이 되도록 상부에서 에폭시(27)를 이용하여 부착하여 전체적으로 오리피스 형태로 형성되도록 하는 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 씨브이디 디엘씨 박막을 이용한 오리피스형 가스 센서의 제조방법이다.
이하, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 센서 및 제조방법을 첨부된 도면을 참조하면서 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 기술적 사상은 도 2의 구조와 같이 실리콘(Si) 웨이퍼(wafer)를 경사 식각하고, 식각면에 DLC 층을 형성한 후, 두 장의 웨이퍼를 부착하여 오리피스 형태가 되도록 제조하여, 관통 구멍을 통하여 검출 대상 가스를 지속적으로 흐르게 하여, 연속적인 가스 분압의 측정이 가능하게 한 구조 및 방법이다.
즉, 본 발명은 MEMS 공정으로 얻어진 경사 식각면에 DLC 박막을 형성하고, 동일한 경사식각 구조를 반대면에 부착하여 오리피스 형태를 지니도록 하여, 가스 흐름이 지속적으로 발생하는 센서 구조를 고안한 것이다. 고안된 구조를 도 2에 나타내었다.
도 2와 같이 먼저 실리콘 웨이퍼(24, 24')에 TMAH 용액을 사용하여 경사 식각을 한다. 이때 TMAH 용액은 실리콘 웨이퍼(24, 24')의 가스 흐름 방향에 대하여 투과면이 경사면이 되도록 식각을 진행하며, 예컨대 가스 흐름 방향과 식각면이 54.7°의 경사면을 이루게 된다.
이렇게 두 장의 실리콘 웨이퍼(24, 24')에 경사 식각을 진행하고, 그 중 한쪽의 실리콘 웨이퍼(24)에 검출 감응막이 되는 DLC 층(22)을 박막으로 형성한다. 이때 DLC 층(22)의 형성 공정은 다음과 같은데, 먼저 DLC 층(22) 박막에서 전극을 인출하기 위한 n+ 전극(20, 21; electrode)부를 형성하고, 옥사이드(oxide; SiO2)로 절연층(23)을 형성한다.
이렇게 DLC 박막을 형성한 후, 외부로 전극 인출을 위한 금속층(25, 26; metal layer)을 형성한다(metallization).
이후 앞서 경사 식각을 해 둔 실리콘 웨이퍼(24')를 반대 방향에서 에폭시(27; epoxy)를 이용하여 부착하면 도 2와 같은 최종적인 오리피스형 가스 센서가 얻어진다.
이상과 같이 형성되는 CVD DLC 박막을 이용한 오리피스형 가스 센서는 상하 방향으로 관통된 구멍을 지니는데, 이때 그 중앙점이 좁아져 유속의 흐름이 증가하는 양상을 보이며, 이때 유량의 증가 및 압력이 증가하여 DLC 박막에 공급되는 측정대상 가스의 양이 증가한다. 또한 배면으로 지속적인 벤트(vent)를 실시하면 관통 구멍을 통하여 지속적으로 가스가 흘러가게 되고, 이를 이용하면 연속적으로 대상 가스의 분압을 측정 할 수 있는 장점을 지닌다.이때, CVD는 Chemical Vapor Deposition(화학기상증착법)의 약어로서, 기체상태의 물질을 특정한 조건의 챔버(chamber) 내부에서 반응시켜 고체의 박막을 얻는 기술임은, 본 발명이 속하는 반도체 및 표면처리 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명하다.또한, 본 발명의 DLC 박막의 경우, 실리콘 웨이퍼상에 타 공정과 호환되면서 박막을 형성하기 위하여 사용되는 방법 중 거의 유일한 방법이 CVD 방법임은, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명하다 할 것이다.
본 발명에서 고안한 오리피스형 DLC 가스 센서는 NOx 가스의 분압을 연속적인 흐름 속에서 측정이 가능하게 하며, 기존의 가스 센서에 비하여 저전력소모 및 긴 수명을 지니고, 초소형으로 제조이 가능하므로, 측정장치 및 센서 응용분야에서 보다 큰 활용도를 지닐 것으로 판단되는 매우 획기적인 효과가 있다.
도 1은 종래의 DLC 가스 센서의 구조도,
도 2는 본 발명의 CVD DLC 박막을 이용한 오리피스형 가스 센서의 구조도이다.
Claims (2)
- 상측이 좁고 하측이 넓게 경사 식각된 실리콘 웨이퍼(24)와;상기 실리콘 웨이퍼(24)의 경사면과 하면에 형성되는 디엘씨(DLC) 층(22)과;상기 DLC 층(22)의 연장선상에 형성되는 금속층(25, 26)과;상기 금속층(25, 26)과 실리콘 웨이퍼(24) 사이에 형성되는 절연층(23)과;상기 DLC 층(22)와 금속층(25, 26)의 접점에 형성되는 n+ 전극(20, 21)과;상기 금속층(26)의 상면에 형성되는 에폭시층(27)과;상기 에폭시층(27)의 상면에 형성되는 절연층(23')과;상기 절연층(23)의 상면에 형성되며 상기 실리콘 웨이퍼(24)의 경사 식각 방향과 반대로 상측이 넓고 하측이 좁게 경사 식각된 실리콘 웨이퍼(24')로 구성됨을 특징으로 하는 씨브이디(CVD) DLC 박막을 이용한 오리피스형 가스 센서.
- 두 장의 실리콘 웨이퍼(24, 24')에 미리 정해져 있는 각도로 경사 식각을 행하는 단계와;상기 실리콘 웨이퍼 중에서 상부가 좁고 하부가 넓게 식각된 실리콘 웨이퍼(24)에 DLC 층(22)에서 전극을 인출하기 위한 n+ 전극(20, 21)을 형성하는 단계와;상기 실리콘 웨이퍼(24)의 상면에 절연층을 형성하는 단계와;상기 실리콘 웨이퍼(24)의 경사 식각된 면을 포함하는 측면에 DLC 층(22)을 형성하는 단계와;상기 전극(20, 21)을 인출하기 위한 금속층(25, 26)을 형성하는 단계와;상기 상부가 넓고 하부가 좁게 식각된 나머지 실리콘 웨이퍼(24')를 경사 식각된 면이 하부의 실리콘 웨이퍼(24)와 반대방향이 되도록 상부에서 에폭시(27)를 이용하여 부착하여 전체적으로 오리피스 형태로 형성되도록 하는 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 CVD DLC 박막을 이용한 오리피스형 가스 센서의 제조방법.
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