In this master’s thesis, we explored the potential gas sensors application of self-assembled nanomesh structure via polystyrene nanosphere lithography (NSL). The PS-NSL method was explored on both rigid silicon substrate. Oxygen ($O_2$) plasma treatment was used to increase the surface wettability of substrate to make a larger coverage and more uniform coating of PS beads. $O_2$ RIE can effectively etch PS bead controlling the size of PS beads while making gaps among individual beads. Those shrunk beads serve as the shadow mask while depositing the desired materials. After the removal of PS beads through mild DI sonication bath, a honeycomb structure with minimum dimension lower than 100nm was achieved. Two types of device were fabricated to investigate the hydrogen sensing performance- Pd-decorated silicon honeycomb structure and Pd honeycomb structure. Silicon thin film transistor with palladium (Pd) decorated was fabricated through the conventional complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) process. Buffered oxide etchant (BOE) was used to clean the silicon surface before Pd deposition via electron beam evaporation. A clear raise of electrical resistance was observed after relative long time (3min~20min) BOE treatment. Meanwhile that caused an dramatic improvement of hydrogen sensing performance after decoration of Pd. Hydrogen sensitivity of the sensors increased from 0min, 3min to 5min BOE treatment, and when BOE etching time was over 5min the sensors showed similar sensitivity. Sensors with 3min and 5min BOE treatment showed faster response compared with other samples, while sensors with 5min and 10min BOE treatment showed quicker recovery after exposure to hydrogen gas. Overall, device after 5min BOE treatment was found to have the best complex performance- high sensitivity, fast response and quick recovery. Based on the thin film device structure, nanomesh pattern was applied at the channel, making the thin film a porous-honeycomb-like structure. The minimum feature among the silicon honeycomb-like nanomesh structure obtained was 40 to 80nm. As a result, the silicon honeycomb nanostructure was fabricated with minimum dimension of 80 nm. The small dimension enlarged the Pd-gating-effect and thus improved the sensitivity. By using nanosphere lithography, high-resolution lithography process was avoided and cost was reduced. 2 mins BOE treatment made the Si nanomesh surface rougher and induced a clear increase of the sensitivity. Additionally, the sensor with Pd-decorated BOE-treated Si nanomesh channel structure shows excellent selectivity among the common interfering gases and low gas sensing degradation with up to 80% RH environment condition. Compared with other conventional Si-based hydrogen sensors, the honeycomb hydrogen sensors was fabricated through a low cost process and showed better performance. And those two simple strategies of NSL nanopattern and BOE treated rough surface for sensitivity enhanment, shown in this paper are applicable to other Si-based chemical- and bio-sensors.
이 석사 학위 논문에서 폴리스티렌 나노 입자 리소그래피 (NSL)를 통한 자기 조립 나노 메쉬 구조의 잠재적 인 가스 센서 응용을 탐구했다. PS-NSL 방법은 견고한 실리콘 기판에서 탐구되었다. Oxygen (O2) 플라즈마 처리는 기판의 표면 젖음성을 증가시켜 PS 비드의보다 넓은 적용 범위와보다 균일 한 코팅을 만들기 위해 사용되었습니다. O2 RIE는 PS 구슬의 크기를 제어하면서 PS 구슬을 효과적으로 에칭하면서 개별 구슬 사이에 틈새를 만들어 낼 수 있습니다. 그 축소 된 구슬은 원하는 재료를 증착하는 동안 새도우 마스크 역할을합니다. 온화한 DI 초음파 처리 욕조에서 PS 비드를 제거한 후, 최소 치수가 100nm 미만인 벌집 구조가 달성되었다. 수소 감지 성능 - Pd- 장식 실리콘 허니 콤 구조 및 Pd 허니 콤 구조를 조사하기 위해 두 가지 유형의 장치가 제조되었다. 팔라듐 (Pd)으로 장식 된 실리콘 박막 트랜지스터는 종래의 상보 형 금속 산화물 반도체 (CMOS) 공정을 통해 제조되었다. 버퍼 된 산화물 에칭 제 (BOE)는 전자 빔 증착을 통한 Pd 증착 이전에 실리콘 표면을 세정하는데 사용되었다. 상대적인 장시간 (3 분 ~ 20 분) BOE 처리 후 명확한 전기 저항 상승이 관찰되었습니다. 그 동안 Pd 장식 후 수소 감지 성능이 크게 향상되었습니다. 센서의 수소 민감도는 0 분, 3 분에서 5 분의 BOE 처리로 증가했으며, BOE 에칭 시간이 5 분 이상인 경우 센서는 비슷한 감도를 보였다. 3 분 및 5 분 처리 된 센서는 다른 샘플에 비해 반응 속도가 빠르지 만 BOE 처리가 5 분 및 10 분인 센서는 수소 가스에 노출 된 후 더 빨리 회복합니다. 전반적으로, 5 분 후 BOE 처리 후 가장 우수한 성능, 즉 고감도, 빠른 응답 및 신속한 회복이 발견되었습니다. 박막 장치 구조를 기반으로 채널에 나노 메쉬 패턴을 적용하여 박막을 다공성 허니컴 형 구조로 만들었습니다. 수득 된 실리콘 벌집 모양 나노 메쉬 구조 중 최소의 특징은 40 내지 80nm이었다. 그 결과, 실리콘하니 콤 나노 구조물은 최소 80nm의 치수로 제조되었다. 작은 치수로 인해 Pd 게이팅 효과가 커져 감도가 향상되었습니다. 나노 스피어 리소그래피를 사용함으로써 고해상도 리소그래피 공정을 피하고 비용을 절감 할 수있었습니다. 2 분 BOE 처리는 Si 나노 메쉬 표면을 거칠게 만들고 감도를 명확하게 증가 시켰습니다. 또한, Pd로 장식 된 BOE 처리 Si 나노 메쉬 채널 구조를 갖는 센서는 공통 간섭 가스 중에서 탁월한 선택도를 나타내며 최대 80 % RH 환경 조건에서의 가스 감지 감도가 낮습니다. 기존의 다른 Si 기반 수소 센서와 비교할 때, 벌집 형 수소 센서는 저비용 공정을 통해 제작되었으며 더 나은 성능을 보였습니다. 그리고이 논문에서 보여진 NSL 나노 패턴과 BOE로 처리 된 민감도 향상을위한 거친 표면의 두 가지 간단한 전략은 다른 Si 기반의 화학 및 바이오 센서에 적용 가능합니다.
