In this thesis, the nanoporous Pirani vacuum pressure sensors based on anodic aluminum oxide (AAO) is proposed, and it is demonstrated to measure the high vacuum pressure. For the first time, nanoporous AAO membrane is used for a Pirani vacuum sensor to extend the measurement range. The quantitative relationship between the performance of the sensor and the porosity of the AAO membrane is characterized with a theoretical model. The proposed Pirani sensor is composed of a metallic resistor on a suspended nanoporous membrane, which simultaneously serves as the sensing area and the supporting structure. The AAO membrane has numerous vertically-tufted nanopores, resulting in a lower measurable pressure limit due to both the increased effective sensing area and the decreased effective thermal loss through the supporting structure. Additionally, the suspended AAO membrane structure, with its outer periphery anchored to the substrate, known as a closed-type design, is demonstrated using nanopores of AAO as an etch hole without a bulk micromachining process used on the substrate. In a CMOS-compatible process, a 200 $\mu$m × 200 $\mu$m nanoporous Pirani sensor with porosity of 25% was capable of measuring the pressure from 0.1 mTorr to 760 Torr. With adjustment of the porosity of the AAO, the measurable range could be extended toward lower pressures of more than one decade compared to a non-porous membrane with an identical footprint.
To improve the detectability of the Pirani sensor toward the high vacuum pressure, micro-bridged sensor structure and enlarged membrane methods are presented in this thesis. By virtue of the conduction loss reduction through the sensor structure and effective surface increment for heat transfer to gas molecule, the detectable lower pressure is extended to about 1 decade in micro-bridged structure compared than closed-type structure and to 2×$10^{-7}$ Torr at the enlarged membrane dimension of 2000 u$\mu$ × 2000 u$\mu$. Since the gap spacing between the membrane and the substrate is kept at a few micro meter scale, there is no significant change in the detectable high pressure limit. Therefore, the remarkable enhancement in dynamic range of Pirani sensor is achieved. Given the merits of its CMOS compatible process, simple device structure, and excellent performance, the proposed nanoporous Pirani sensors can be a powerful candidate for the pressure monitoring of nano/microsystems
본 논문에서는 나노 스케일의 기공을 다공성 양극 알루미늄 산화막 (anodic aluminum oxide, AAO)을 기반으로 하는 피라니 진공 압력센서를 제안하고, 고 진공 측정 가능성을 검증하였다. 피라니 센서의 측정 가능한 진공 압력 범위를 확장하기 위해 처음으로 다공성 멤브레인을 피라니 센서에 적용하였으며 이론적 모델링을 통해 피라니 센서 성능과 다공성 멤브레인의 기공율 (porosity)의 관계에 대한 분석을 진행하였다. 제안한 다공성 피라니 센서는 기판과 열적으로 격리된 양극 알루미늄 산화막 기반 멤브레인과 그 위에 형성된 금속 저항체로 구성된다. 금속 저항체는 센서에 전력을 공급하여 가열을 함과 동시에 진공 압력에 따른 센서의 온도를 확인 할 수 있으며, 양극 알루미늄 산화막 기반 멤브레인은 저항체를 기계적으로 지지해 주는 역할과 더불어 기판과 멤브레인 사이의 가스 분자와 열 전달을 하는 센싱 역할을 한다. 나노 스케일의 다공성 멤브레인을 사용함으로써, 가스 분자와 열 교환을 할 수 있는 유효 센싱 면적 증가와 센서 구조체 즉, 멤브레인과 기판간의 열전도로 인한 열 손실을 감소시켜 고 진공 (저 압력) 에서의 측정 성능을 향상시킬 수 있다. 알루미늄의 양극 산화법을 통해 형성되는 알루미늄 산화막은 성장 메커니즘이 비교적 잘 알려져 있으며 저비용으로 값비싼 장비 없이 형성 할 수 있으며, CMOS process와 호환이 가능한 장점이 있다. AAO는 수직 방향으로 정렬된 나노미터 스케일의 무수한 기공을 가지고 있기 때문에 유효부피표면적비 (surface to volume ratio)가 높고 박막 자체의 열전도도가 낮아 고 진공 (저 압력) 측정을 위한 피라니 센서의 요구 조건을 만족 시킬 수 있다. 또한 센서에 사용되는 박막과 기판을 열적으로 격리하기 위해서는 멤브레인이 기판에서 띄워진 구조체가 필요한다. 이 때, AAO가 가지는 나노미터 스케일의 기공을 통해, 멤브레인 아래에 존재하는 희생층 (혹은 기판)을 식각하는 식각 가스 혹은 식각액의 침투가 가능하여 별도의 식각 패턴을 형성 하는 공정을 줄일 수 있다. 또한 멤브레인의 테두리 전체가 기판과 연결되는 closed-type의 suspended 멤브레인을 기판 뒷면 전체를 식각하는 벌크 머시닝 방식이 아닌 서피스 머시닝 방식을 통해 형성이 가능하여 수 마이크로 미터 수준으로 기판과 멤브레인 간의 간격을 조절 할 수 있다. 이는 상압에 가까운 저 진공 측정이 가능한 피라니 센서의 제작이 가능함을 알려준다.
앞서 기술한 다공성 양극 알루미늄 산화막의 이점을 바탕으로 피라니 센서를 제작하고 기공율에 따른 센서의 동작 범위에 대한 성능 변화를 확인하였다. 비다공성 물질을 멤브레인으로 사용한 경우와 비교하여 1 order 이상 고 진공에서 측정 가능한 범위가 확대 되는 것을 확인하였다. 기 발표된 센서들과 비교하면 유사한 동작 범위를 가질 때, 센서 사이즈를 약 1/80 수준 이하로 소형화 시킬 수 있다. 고 진공에서의 동작 특성을 향상시키기 위하여, 기판과 멤브레인 간의 연결을 최소화한 micro-bridged 구조체와 멤브레인과 기판 간의 간격은 수 마이크로 미터 수준으로 유지하면서 멤브레인의 면적을 넓히는 실험을 진행하였다. Micro-bridged 구조체를 통해 센서 구조체의 열전도에 의한 열 손실을 감소 시켜 closed-type 구조체 대비 약 1 order 정도 의 성능 향상이 있으며, 멤브레인의 면적을 2000×2000 $\mu m^2$ 까지 증가 시키면서 센서의 동작 범위가 확대됨을 확인 하였다. 이 때, 측정 가능한 고 진공 압력은 2×10^-7 Torr 수준으로 확인이 되었으며, 그 이상의 멤브레인의 면적 증가는 복사를 통해 발생하는 열손실의 증가 폭이 커져 센서의 성능 향상이 제한 될 수 있음을 확인하였다.
본 연구에서 제안하는 나노 스케일의 기공을 가지는 다공성 피라니 진공 압력센서는 현재 널리 사용되고 있는 기존의 피라니 센서보다 뛰어난 성능을 보일 뿐만 아니라, 센서의 크기를 줄일 수 있고 IC 기판 위에 monolithic으로 제작이 가능한 센서이다. 아직은 제품 단계에서 요구하는 신뢰도 수준에 대한 검증이 필요하지만 지속적인 연구 개발을 통해 견고한 내구성을 확보 할 수 있을 것으로 예상된다. 특히, 새로운 연구분야 및 시장을 창출하여 양극 알루미늄 산화막 및 MEMS 기반 센서의 지속적인 발전을 견일 할 수 있을 것으로 기대된다.
