KR20030080833A - Method for fabricating carbon nano tube gas sensor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 탄소나노튜브 가스센서의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube; CNT)가 형성된 반도체식 가스센서를 제조하기 위한 탄소나노튜브 가스센서의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a carbon nanotube gas sensor, and more particularly, to a method for manufacturing a carbon nanotube gas sensor for manufacturing a semiconductor gas sensor having a carbon nanotube (CNT). .
주지된 바와 같이, 최근 환경문제와 정보통신 기기의 발전과 더불어 다양한 가스에 대한 센서가 개발되고 있는 가운데 반도체 기술을 접목함으로써 제조가 간편해지고 그 성능이 향상되고 있다. 무릇, 모든 센서는 성능 향상을 위하여 감지도를 높이는 것이 최대 목표이며, 이러한 목표를 달성하기 위한 노력도 경주되고 있는 실정이다. 한편, 종래의 반도체식 가스 센서는 감지 물질이 반도체 박막이기 때문에 감지도에 한계가 있으며, 일 예로 이산화탄소(CO2)와 같은 안정된 화학물질의 감지가 불가능하였다.As is well known, in recent years, with the development of information and communication devices, sensors for various gases are being developed, incorporating semiconductor technology, thereby simplifying manufacturing and improving its performance. In order to improve the performance of all sensors, the highest goal is to increase the sensitivity, and efforts to achieve this goal are being raced. On the other hand, the conventional semiconductor gas sensor has a limit in sensitivity because the sensing material is a semiconductor thin film, for example, it was impossible to detect a stable chemical, such as carbon dioxide (CO 2 ).
그러므로, 일산화탄소(CO)나 이산화탄소(CO2) 등과 같은 유해한 가스를 감지하기 위한 센서는 용액의 도전방식을 이용한 전기화학적 방법과 적외선 흡수법에 의한 광학적 방법이 적용되고 있다.Therefore, the sensor for detecting harmful gases such as carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO 2 ) is applied to the electrochemical method using the conductive method of the solution and the optical method by the infrared absorption method.
전기화학적 방법은 대상 가스를 전기화학적으로 산화 또는 환원하여 외부의 회로에 흐르는 전류를 측정하거나, 전해질 용액이나 고체에 용해 또는 이온화한 가스상의 이온이 이온전극에 작용하여 생기는 기전력을 이용하는 것으로서, 이는 매우 느린 반응속도를 나타냄과 더불어 가스의 감지범위 및 사용환경이 한정되어 있는데다가 가격도 비싸다는 단점이 있다.The electrochemical method measures the current flowing through an external circuit by electrochemically oxidizing or reducing a target gas, or using electromotive force generated by the action of ion-electrode by gaseous ions dissolved or ionized in an electrolyte solution or a solid. In addition to showing a slow reaction rate, gas detection range and use environment are limited, and the price is expensive.
또한, 적외선 흡수법에 의한 광학적 방법은 여타의 혼합가스나 습도에 의한 영향을 거의 받지 않는다는 장점은 있으나, 장치가 복잡하고 크기가 커질뿐만 아니라 가격도 고가라는 단점이 있다.In addition, the optical method by the infrared absorption method has the advantage that it is almost unaffected by other mixed gas or humidity, but the disadvantage is that the device is complicated, large size, and expensive.
일반적으로, 화학센서는 접촉연소법에 의해 가스를 감지하기 위한 구조로 이루어져 있는 바, 가스가 촉매인 백금선을 포함하는 센서와 반응하였을 때 발열반응이나 흡열반응에 의한 백금선의 저항변화를 이용하여 가스를 감지할 수 있도록 되어 있어서 센서의 안정성과 감도를 향상시켰다.In general, a chemical sensor has a structure for detecting a gas by contact combustion method. When a gas reacts with a sensor including a platinum wire as a catalyst, the chemical sensor uses a change in resistance of the platinum wire due to an exothermic or endothermic reaction. It can be detected to improve the stability and sensitivity of the sensor.
한편, 최근에는 가스의 화학흡착에 의한 접촉반응과 전자밀도와의 관계가 규명되면서 산화물 반도체식 가스센서가 개발되어 상용화되고 있는 바, 이러한 반도체식 가스센서는 가연성 가스를 비롯한 대부분의 가스를 감지할 수 있도록 개발되었고, 그에 따라 다른 방식의 가스센서에 비해 소형화와, 저가격화, 신뢰성의 향상이 가능하게 되었다.On the other hand, in recent years, as the relationship between the contact reaction and the electron density due to chemical adsorption of gas has been identified, an oxide semiconductor gas sensor has been developed and commercialized. Such a semiconductor gas sensor can detect most gases including flammable gas. It has been developed so that it can be miniaturized, low cost and improved reliability compared to other gas sensors.
이러한 반도체식 가스센서로서 적용되는 탄소나노튜브를 이용한 가스센서는 여타의 센서가 산화질소 등을 검출하기 위해 약 300℃까지 가열하여야 하였지만, 탄소나노튜브가 실온에서도 동작이 가능하고, 탄소나노튜브의 입자크기가 나노단위이기 때문에 여타의 센서에 비해서 센서의 감도가 수천배 정도 높다는 장점이 있다.The gas sensor using carbon nanotubes applied as the semiconductor gas sensor had to be heated up to about 300 ° C. to detect nitrogen oxides, but the carbon nanotubes can be operated at room temperature. Because of the nanoscale particle size, the sensor's sensitivity is thousands of times higher than that of other sensors.
그러나, 이러한 반도체식 가스센서로서의 탄소나노튜브를 이용한 가스센서는 탄소나노튜브의 특성상 감도가 원하는 경우 보다 너무 높을 경우에 감도를 낮추어야 할 필요성이 제기 되고 있고 주위의 온도 및 습도에 민감한 반응을 나타내기 때문에 주변 온도의 변화나 습도에 의해 센서가 오동작될 수 있다는 문제점이 있고, 가스센서의 열적고립 구조를 위해서 제조한 MHP(Microhotplate)의 경우에는 두께가 매우 얇기 때문에 시간에 따라 온도가 변화하거나 공간적으로도 히터선이 있는 부분과 없는 부분사이에 온도 균일성이 떨어지게 되어 센서의 감도 및 신뢰도가 떨어진다는 문제점이 있다.However, the gas sensor using carbon nanotubes as a semiconductor gas sensor has a need to lower the sensitivity when the sensitivity of the carbon nanotubes is too high than desired and exhibits a sensitive response to ambient temperature and humidity. Because of this, there is a problem that the sensor may malfunction due to changes in ambient temperature or humidity. In the case of MHP (Microhotplate) manufactured for the thermal isolation structure of the gas sensor, the thickness is very thin. In addition, there is a problem that the temperature uniformity between the portion with and without the heater wire is inferior, and the sensitivity and reliability of the sensor are deteriorated.
또한, 탄소나노튜브를 이용한 가스센서의 다이어프램 재료는 NON(Si3N4-SiO2-Si3N4) 구조로 제작되어 마이크로 센서의 절연막으로서 사용되지만, 그 NON구조의 멤브레인은 열적 스트레스를 많이 받기 때문에 구조물이 쉽게 붕괴되는 단점이 있다.In addition, the diaphragm material of the gas sensor using carbon nanotubes is made of NON (Si 3 N 4 -SiO 2 -Si 3 N 4 ) structure and is used as an insulating film of the micro sensor, but the membrane of the NON structure has a high thermal stress. There is a disadvantage that the structure is easily collapsed.
따라서, 본 발명은 상기한 종래의 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은 물리적, 화학적 성질이 우수한 탄소나노튜브를 적용한 가스센서를 제조하기 위한 탄소나노튜브 가스센서의 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, the present invention has been made in view of the above-described conventional circumstances, and an object thereof is to provide a method of manufacturing a carbon nanotube gas sensor for producing a gas sensor to which carbon nanotubes having excellent physical and chemical properties are applied.
본 발명의 다른 목적은 탄소나노튜브를 적용한 가스센서에 대해 주위의 온도 및 습도에 의한 악영향을 제거하기 위한 탄소나노튜브 가스센서의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a carbon nanotube gas sensor for removing the adverse effects of ambient temperature and humidity to the gas sensor to which the carbon nanotubes are applied.
본 발명의 또 다른 목적은 탄소나노튜브가 적용된 가스센서의 열적 고립구조를 위해 제작된 MHP(Microhotplate)에 대한 온도의 균일성을 확보하여 온도의 급격한 변화를 완화시키기 위한 탄소나노튜브 가스센서의 제조방법을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to manufacture a carbon nanotube gas sensor for mitigating a sudden change in temperature by securing temperature uniformity for a MHP (Microhotplate) fabricated for the thermal isolation structure of a carbon nanotube applied gas sensor. To provide a way.
본 발명의 또 다른 목적은 탄소나노튜브가 적용된 가스센서의 MHP에 대해 열적 스트레스를 최소화시키도록 제조하기 위한 탄소나노튜브 가스센서의 제조방법을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a carbon nanotube gas sensor for manufacturing to minimize thermal stress on the MHP of a gas sensor to which carbon nanotubes are applied.
도 1은 본 발명의 제조방법에 의해 제조되는 탄소나노튜브 가스센서의 구조를 나타낸 도면,1 is a view showing the structure of a carbon nanotube gas sensor manufactured by the manufacturing method of the present invention,
도 2a 내지 도 2h는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 탄소나노튜브의 제조공정을 상세히 나타낸 도면,Figure 2a to 2h is a view showing in detail the manufacturing process of carbon nanotubes in accordance with a preferred embodiment of the present invention,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 온도 및 습도의 영향을 제거하기 위해 탄소나노튜브와 실리카가 각각 적용된 복수의 가스센서를 어레이 형태로 구성한 상태를 예시적으로 나타낸 도면,3 is a view showing an exemplary configuration of a plurality of gas sensors each applied with carbon nanotubes and silica in an array form to remove the effects of temperature and humidity in accordance with a preferred embodiment of the present invention;
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제조공정에 의해 부가되는 히트댐퍼(Heat Damper)의 설치유무에 따른 온도분포의 균일도를 비교하기 위한 도면,4a and 4b is a view for comparing the uniformity of the temperature distribution according to the presence or absence of the installation of the heat damper (Heat Damper) added by the manufacturing process of the present invention,
도 5는 본 발명의 제조공정에 적용되는 실리콘 질화막의 제조조건에 따른 열적 스트레스 특성을 나타낸 그래프도면이다.5 is a graph showing thermal stress characteristics according to the manufacturing conditions of the silicon nitride film applied to the manufacturing process of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
10:실리콘 웨이퍼층, 15,20:실리콘 질화막,10: silicon wafer layer, 15, 20: silicon nitride film,
25:백금/탄탈륨 합금층, 30:실리콘 산화막,25: platinum / tantalum alloy layer, 30: silicon oxide film,
35:탄소나노튜브.35: carbon nanotubes.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따르면, 탄소나노튜브를 이용한 반도체식 가스센서를 제조하는 방법에 있어서, 실리콘 웨이퍼의 상부 및 하부에 CVD법에 의해 산출된 저응력의 실리콘 질화막(Si3N4)을 증착시키는 단계와, 상기 실리콘 웨이퍼의 상부 전면에 스퍼터링 법에 의해 탄탈륨/백금(Ta/Pt) 박막을 증착시키는 단계, 제 1마스크 패턴을 이용한 사진식각 공정에 의해 상기 탄탈륨/백금(Ta/Pt) 박막을 전극과 히터의 형상으로 식각하는 단계, PECVD 법을 이용하여 상기 실리콘 웨이퍼의 상부 전면에 실리콘 산화막(SiO2)을 증착하는 단계, 제 2마스크 패턴을 이용한 사진식각 공정에 의해 실리콘 산화막(SiO2)을 패터닝하는 단계, 상기 실리콘 웨이퍼의 상부에 섀도우 마스크를 이용하여 탄소나노튜브(CNT)를 국부적으로 성장시켜서 형성하는 단계, 제 3마스크 패턴을 이용한 식각 공정에 의해 실리콘 웨이퍼 하부의 실리콘 질화막(Si3N4)을 부분적으로 식각하는 단계 및, TMAH 용액으로 상기 실리콘 웨이퍼 하부의 잔존하는 실리콘 질화막(Si3N4)은 식각하지 않고 단결정의 실리콘 웨이퍼만 이방성 식각하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 가스센서의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, according to the present invention, in the method of manufacturing a semiconductor gas sensor using carbon nanotubes, a silicon nitride film of low stress (Si 3 N) calculated by the CVD method on the upper and lower portions of the silicon wafer; 4 ) depositing, depositing a tantalum / platinum (Ta / Pt) thin film on the upper front surface of the silicon wafer by a sputtering method, and performing a photolithography process using a first mask pattern. / Pt) etching the thin film into the shape of an electrode and a heater, depositing a silicon oxide film (SiO 2 ) on the upper front surface of the silicon wafer by using a PECVD method, by a photolithography process using a second mask pattern patterning the oxide film (SiO 2), comprising: using a shadow mask on top of the silicon wafer formed by growing carbon nanotubes (CNT) locally, 3 mask pattern of a silicon wafer bottom by the etching process, the silicon nitride film using a (Si 3 N 4) a step of partially etching and, the remaining silicon nitride film of the silicon wafer underlying the TMAH solution (Si 3 N 4) is not etched There is provided a method of manufacturing a carbon nanotube gas sensor, characterized in that consisting of anisotropically etching only a single crystal silicon wafer without.
이하, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention configured as described above will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
즉, 도 1은 본 발명의 제조방법에 의해 제조되는 탄소나노튜브 가스센서의 구조를 나타낸 도면이다.That is, Figure 1 is a view showing the structure of a carbon nanotube gas sensor manufactured by the manufacturing method of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제조방법에 따라 생성되는 탄소나노튜브 가스센서는 실리콘(Si) 기판(10)의 상부와 하부에 낮은 열적 스트레스를 갖는 상부 실리콘 질화막(15)(Si3N4)과 하부 실리콘 질화막(20)(Si3N4)이 각각 증착되어 형성된다.As shown in FIG. 1, the carbon nanotube gas sensor generated according to the manufacturing method of the present invention has an upper silicon nitride film 15 (Si 3 ) having low thermal stress on the upper and lower portions of the silicon (Si) substrate 10. N 4 ) and the lower silicon nitride film 20 (Si 3 N 4 ) are formed by deposition.
상기 상부 실리콘 질화막(15) 상에는 백금/탄탈륨(Pt/Ta) 합금층(25)이 스퍼터링 법에 의해 증착되어 있고, 실리콘 산화막(SiO2)(30)이 증착되어 사진식각 공정을 통하여 패터닝되어 형성된다.A platinum / tantalum (Pt / Ta) alloy layer 25 is deposited on the upper silicon nitride film 15 by sputtering, and a silicon oxide film (SiO 2 ) 30 is deposited and patterned through a photolithography process. do.
한편, 상기 상부 실리콘 질화막(15) 상에는 섀도우 마스크(Shadow Mask) 법에 의하여 탄소나노튜브(35)를 국부적으로 성장시켜서 형성하게 되는 바, 상기 탄소나노튜브(35)는 하나의 탄소원자가 3개의 다른 탄소원자와 결합되어 있는 육각형의 벌집구조를 갖춘 것으로서, 그래파이트(Graphite)면이 나노단위 크기의 속이 빈 튜브 형상을 갖추고서 열전도도가 높아 열방출이 용이하며, 넓은 비표면적을 갖고 있기 때문에 가스감지 시에 높은 감도가 보장된다.Meanwhile, the carbon nanotubes 35 are locally grown on the upper silicon nitride layer 15 by a shadow mask method. The carbon nanotubes 35 have one carbon atom having three different carbon atoms. It has hexagonal honeycomb structure combined with carbon atom, and graphite surface has hollow tube shape of nano unit size, easy to release heat with high thermal conductivity, and has a large specific surface area for gas detection. High sensitivity is ensured at the time.
다음에, 도 2a 내지 도 2h는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 탄소나노튜브의 제조공정을 상세히 나타낸 도면이다.Next, Figures 2a to 2h is a view showing in detail the manufacturing process of the carbon nanotubes in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
도 2a에 도시된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(10)의 세척이 이루어지면, 그 실리콘 웨이퍼(10)의 상부와 하부에 각각 2000nm의 실리콘 질화막(Si3N4)을 증착시키게 되는 바, CVD(Chemical Vapor Deposition)방식에 의한 증착의 공정조건을, 도 5에 도시된 바와 같이 반복적인 실험치로 얻어진 결과에 기초하여 최적으로 조정하여 열적 스트레스가 적은(즉, 저응력의) 질화막이 생성되도록 한다.As shown in FIG. 2A, when the silicon wafer 10 is cleaned, a 2000 nm silicon nitride film (Si 3 N 4 ) is deposited on the upper and lower portions of the silicon wafer 10. The process conditions for deposition by the Vapor Deposition method are optimally adjusted based on the results obtained by repeated experimental values as shown in FIG. 5 so that a nitride film having low thermal stress (ie, low stress) is produced.
상기 실리콘 웨이퍼(10)의 상부 및 하부에 각각 상부 및 하부 실리콘 질화막(15,20)이 증착되면, 도 2b에 도시된 바와 같이 해당 실리콘 웨이퍼(10) 상부의 전면에 스퍼터링(Sputtering)법에 의해 탄탈륨/백금(Ta/Pt) 박막(25)을 200/40nm의 두께로 증착시키게 되는 바, 해당 탄탈륨/백금 박막(25)은 이후에 형성되는 탄소나노튜브에 전류를 인가하는 전극역할을 수행함과 더불어, 국부적인 히터의 역할도 수행하게 된다.When the upper and lower silicon nitride films 15 and 20 are deposited on the upper and lower portions of the silicon wafer 10, respectively, as shown in FIG. 2B, a sputtering method is performed on the entire surface of the upper portion of the silicon wafer 10. The tantalum / platinum (Ta / Pt) thin film 25 is deposited to a thickness of 200/40 nm, and the tantalum / platinum thin film 25 serves as an electrode for applying a current to a carbon nanotube formed thereafter. In addition, it also serves as a local heater.
즉, 도 2c에 도시된 바와 같이 상기 실리콘 웨이퍼(10)의 상부에 증착된 탄탈륨/백금 박막(25)을 제 1마스크를 사용하여 사진식각(Etching) 공정을 통해 패터닝하여 전극과 히터 형상이 되도록 패턴하게 되는 것이다.That is, as illustrated in FIG. 2C, the tantalum / platinum thin film 25 deposited on the silicon wafer 10 is patterned through an etching process using a first mask to form electrodes and heaters. Will be patterned.
한편, 상기 탄탈륨/백금 박막(25)이 전극과 히터 형상의 패턴을 갖게 되면, 도 2d에 도시된 바와 같이 상기 실리콘 웨이퍼(10) 상부의 전면에 플라즈마 보강기상증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD) 법을 이용하여 500nm 두께의 실리콘 산화막(SiO2)(30)을 증착시키게 된다.Meanwhile, when the tantalum / platinum thin film 25 has an electrode and heater shape pattern, a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) is formed on the entire surface of the silicon wafer 10 as illustrated in FIG. 2D. 500 nm thick silicon oxide film (SiO 2 ) 30 is deposited using the
상기 실리콘 웨이퍼(10) 상부의 전면에 실리콘 산화막(SiO2)(30)이 증착되면, 도 2e에 도시된 바와 같이 제 2마스크의 패턴을 사용하여 사진식각 공정을 수행함에 의해 실리콘 산화막(30)을 패터닝하게 되는 바, 식각용액으로는 BOE를 사용하여 5분간의 습식식각을 수행한다.When the silicon oxide film (SiO 2 ) 30 is deposited on the entire surface of the silicon wafer 10, the silicon oxide film 30 may be formed by performing a photolithography process using a pattern of a second mask as shown in FIG. 2E. To be patterned, the etching solution using the BOE is performed 5 minutes wet etching.
그 다음에, 상기 실리콘 산화막(30)의 패턴이 형성되면, 도 2f에 도시된 바와 같이 섀도우 마스크(Shadow Mask) 또는 사진식각공정을 사용하여 탄소나노튜브(CNT)(35)를 국부적으로 성장시키게 되는데, 탄소나노튜브(35)는 전극의 형상을 갖는 탄탈륨/백금 박막(25)을 촉매금속으로 하여 선택적으로 수평 성장시킬 수 있도록 한다. 그에 따라, 상기 탄탈륨/백금 박막(25)에 의한 전극에 부착되는 탄소나노튜브(35)에 가스분자가 접촉할 때에 발생되는 탄소나노튜브(35) 내에서의 전류변화의 감지가 가능하게 된다.Next, when the pattern of the silicon oxide film 30 is formed, the carbon nanotubes (CNTs) 35 are locally grown by using a shadow mask or a photolithography process as shown in FIG. 2F. The carbon nanotubes 35 may be selectively grown horizontally using a tantalum / platinum thin film 25 having an electrode shape as a catalyst metal. Accordingly, it is possible to detect a current change in the carbon nanotubes 35 generated when a gas molecule contacts the carbon nanotubes 35 attached to the electrode by the tantalum / platinum thin film 25.
한편, 본 발명에서는 탄소나노튜브(35)만을 국부적으로 성장시키는 방식 이외에, 탄소나노튜브와 실리카 물질을 혼합한 화합물을 도포하여 형성하는 것도 가능하도록 되어 있는 바, 이는 후술하는 도 3과 같이 가스센서와 온도 및 슴도센서를 교번적으로 배치하는 센서 어레이를 구성할 필요가 없이 가스감지는 물론 온도와 습도의 감지를 동시에 수행하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 탄소나노튜브와 실리카 물질의 혼합도를 조절함에 의해 가스의 감지 감도를 원하는 범위로 조절할 수 있는 것이 가능하게 된다.On the other hand, in the present invention, in addition to the method of locally growing only the carbon nanotubes 35, it is also possible to form by applying a compound of a mixture of carbon nanotubes and silica material, which is a gas sensor as shown in FIG. It is possible not only to configure the sensor array that alternates the temperature and the temperature sensor but also to sense the temperature and humidity at the same time as well as to control the mixing degree of carbon nanotube and silica material. This makes it possible to adjust the detection sensitivity of the gas to a desired range.
상기 탄소나노튜브(35)가 탄탈륨/백금 박막(25) 상에 형성되어 있는 상태에서, 도 2g에 도시된 바와 같이 제 3마스크를 이용하여 실리콘 웨이퍼(10)의 하부에증착된 실리콘 질화막(20)을 식각시키게 되는 바, 식각처리의 결과로 남아있는 일부의 실리콘 질화막(20)은 이후 실리콘 웨이퍼의 이방성 식각시에 마스크 역할을 수행하게 된다.In the state where the carbon nanotubes 35 are formed on the tantalum / platinum thin film 25, the silicon nitride film 20 deposited on the lower portion of the silicon wafer 10 using the third mask as shown in FIG. 2G. As a result of etching, the remaining silicon nitride film 20 as a result of the etching process serves as a mask during anisotropic etching of the silicon wafer.
그 다음에, 도 2h에 도시된 바와 같이 상기 실리콘 웨이퍼(10)의 하부를 TMAH 용액을 이용하여 습식 식각하게 되는 바, TMAH 용액은 남아있는 일부의 실리콘 질화막(20)은 식각시키지 않고 단결정의 실리콘에 대해서만 이방성 식각이 이루어지도록 하는 것으로서, 그러한 습식 식각처리의 결과로 상기 실리콘 질화막(20)은 멤브레인 형태로 남게 되어 히트 댐퍼(Heat Damper)를 형성하게 된다.Subsequently, as shown in FIG. 2H, the lower portion of the silicon wafer 10 is wet-etched using a TMAH solution. As a result, a part of the silicon nitride film 20 remaining in the TMAH solution is not etched. Anisotropic etching is performed only on the silicon nitride film. As a result of the wet etching process, the silicon nitride film 20 remains in the form of a membrane to form a heat damper.
즉, 도 4a에 도시된 바와 같이 본 발명의 제조공정에 의해 반도체 웨이퍼의 하부에 형성되는 히트 댐퍼(HD)는 가스센서인 MHP의 발열부분에 해당되는 하부의 열용량을 크게 하여 온도분포가 균일하게 이루어짐에 따라, 센서의 가스감도와 선택성을 향상시키게 된다.That is, as shown in FIG. 4A, the heat damper HD formed in the lower portion of the semiconductor wafer by the manufacturing process of the present invention increases the heat capacity of the lower portion corresponding to the heat generating portion of the MHP, which is a gas sensor, so that the temperature distribution is uniform. As a result, the gas sensitivity and selectivity of the sensor are improved.
하지만, 도 4b에 도시된 바와 같이 가스센서인 MHP에 히트 댐퍼를 형성하지 않은 경우에는 온도의 제어시 멤브레인이 얇기 때문에 시간에 따른 온도의 변화가 발생되어 MHP의 히터가 위치한 부분과 위치하지 않은 부분 사이에 온도가 불균일하게 된다. 그에 따라, 온도분포가 균일하지 않게 되면 결국 센서의 가스 감도와 센택성이 저하된다.However, when the heat damper is not formed in the gas sensor MHP as shown in FIG. 4B, since the membrane is thin when temperature is controlled, a temperature change occurs over time and a portion where the heater of the MHP is not located. The temperature is nonuniform in between. As a result, when the temperature distribution becomes non-uniform, the gas sensitivity and the sensibility of the sensor are eventually reduced.
한편, 본 발명의 제조공정에 따라 제조되는 탄소나노튜브를 이용한 가스센서를 센서어레이로 구성한 경우의 일부 구조는 도 3에 도시된 바와 같다.Meanwhile, some structures in the case where the gas sensor using the carbon nanotubes manufactured according to the manufacturing process of the present invention are configured as a sensor array are shown in FIG. 3.
도 3에 도시된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(10) 상에 탄소나노튜브(35)가 형성되어 있는 가스센서(100)는 실리콘 웨이퍼(10) 상에 탄소나노튜브(35) 대신에 실리카(40)가 형성되어 있는 온도 및 습도센서(200)와 교번적으로 배치되어 센서어레이를 형성하게 되는 바, 탄소나노튜브가 형성된 가스센서(100)에서는 온도 및 습도에 의한 악영향이 발생하기 때문에 온도 및 습도에 대해 민감하게 반응하는 실리카가 형성된 온도 및 습도센서(200)에 의해서 특정한 가스에 대한 정확한 감지가 가능하도록 되어 있다.As shown in FIG. 3, the gas sensor 100 having the carbon nanotubes 35 formed on the silicon wafer 10 has a silica 40 instead of the carbon nanotubes 35 on the silicon wafer 10. Is formed alternately with the temperature and humidity sensor 200 is formed to form a sensor array, the gas sensor 100, the carbon nanotubes are formed because adverse effects due to temperature and humidity occurs in the temperature and humidity The temperature and humidity sensor 200 in which the silica reacts sensitively with respect to the specific gas enables accurate detection of a specific gas.
상기한 실시예를 갖는 본 발명은 그 실시양태에 구애받지 않고 그 기술적 요지를 일탈하지 않는 한도 내에서 얼마든지 다양하게 변형하여 실시할 수 있도록 되어 있는 바, 본 발명에서는 온도와 습도를 감지하는 물질로서 실리카 물질만을 채용하였지만, 온도와 습도에 민감한 어떠한 재료를 적용하여도 본 발명에 동일한 작용이 나타날 수 있도록 되어 있음은 물론이다.The present invention having the above-described embodiments can be carried out variously modified without departing from the technical gist of the embodiment without departing from the embodiments, in the present invention, a substance for sensing temperature and humidity Although only a silica material is employed, the same effect can be obtained in the present invention by applying any material sensitive to temperature and humidity.
이상과 같이 본 발명에 따르면, 탄소나노튜브를 이용한 가스센서에서 낮은 열적 스트레스를 갖는 실리콘을 이용한 멤브레인을 형성하여 열적 스트레스에 의한 구조물의 붕괴를 방지할 수 있고, MHP의 발열부분에 해당되는 하부에 실리콘으로 이루어진 히트 댐퍼를 형성하여 온도분포가 균일하게 이루어지도록 함과 더불어, 탄소나노튜브가 형성된 가스센서와 실리카가 형성된 온도 및 습도센서를 상호 교번적으로 배열하여 센서어레이를 구성함에 의해 온도 및 습도에 의한 악영향을 배제하면서 센서감도 및 신뢰도를 향상시킬 수 있다는 효과를 갖게 된다. 또한 탄소나노튜브를 가스센서의 감응물질로 이용함으로써 높은 감도의 가스센서를 얻을 수 있고 탄소나노튜브와 실리카 물질을 혼합한 화합물을 감응물질로 이용함으로써 가스 감도를 조정할 수 있다.As described above, according to the present invention, in the gas sensor using carbon nanotubes to form a membrane using silicon having a low thermal stress to prevent the collapse of the structure due to thermal stress, the lower portion corresponding to the heating portion of the MHP By forming a heat damper made of silicon to uniformly distribute the temperature, and by arranging the gas sensor with carbon nanotubes and the temperature and humidity sensor with silica alternately to form a sensor array, It is possible to improve the sensor sensitivity and reliability while eliminating the adverse effects caused by. In addition, by using carbon nanotubes as the sensitive material of the gas sensor, a gas sensor with high sensitivity can be obtained, and the gas sensitivity can be adjusted by using a compound mixed with carbon nanotubes and silica as the sensitive material.
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