In this work, we explored palladium-catalyzed chemical etching of silicon surface to create nanoscale roughness and its application to silicon thin film gas sensors to achieve low-cost and high-performance hydrogen gas sensors. Metal-assisted chemical etching (MaCE) is a method that is commonly used to form vertically aligned silicon nanowires or porous silicon surfaces on bulk silicon wafers. However, in this master’s thesis, we applied MaCE to form nano-pores with the diameter of tens-of-nanometers on the surface of the silicon. Firstly, densly packed nanoscale palladium nanoparticles were deposited on the silicon surface by an E-beam evaporator (deposition thickness: 1 nm / 2 nm). To modulate the size and spacing of palladium nanoparticles, the nanoparticles on the silicon surface were dewetted by the rapid thermal annealing process (600℃, 5 min, vacuum $1∙10^{-2}$ torr, $N_{2}$ gas flow of 10 sccm). Then, MaCE was performed for a short period in the etching solution mixed with deionized water, hydrofluoric acid, and hydrogen peroxide. As a result, we confirmed that the short-term chemical etching of silicon surface catalyzed by palladium nanoparticles cause the creation of nanoscale roughness. Particularly, if the palladium nanoparticles were dewetted before the etching, it results in a clearer roughness to obtain a higher surface-to-volume ratio. By applying this method to a silicon thin-film hydrogen gas sensor, we deomnstrated that the sensitivity of the sensor is significantly improved compared to the flat silicon thin film sensor. For 0.1% of $H_{2}$ gas concentration, the sensitivity of the sensor was increased from 4.36% to 294%, which is 67.4 times higher.
본 연구에서는 팔라듐 나노입자를 촉매로 실리콘 표면을 화학적으로 식각하여 나노 크기의 요철을 생성하고 이를 실리콘 박막 가스 센서에 응용하여 저비용, 고성능의 가스 센서를 구현하였다. 금속촉매화학식각법 (Metal-assisted Chemical Etching, MaCE)은 벌크 실리콘 웨이퍼에 수직으로 정렬된 실리콘 나노선 다발 혹은 다공성 실리콘 표면을 형성하는 기법이다. 본 석사학위논문에서는 이를 응용하여 실리콘 표면에 수십 나노 크기의 요철을 형성하고자 하였다. 먼저, 전자빔 증착기를 이용하여 (증착 두께: 1 nm / 2 nm) 실리콘 표면에 수 나노미터 크기의 촘촘하게 배열된 팔라듐 나노입자들을 형성하였다. 팔라듐 나노입자들의 크기와 간격 조절을 위하여 팔라듐 나노입자들이 형성된 실리콘 기판에 급속열처리를 통해 나노입자들을 디웨팅 (dewetting)시켰다 (600℃에서 5분, 진공도 $1∙10^{-2}$ torr, 질소 가스 10 sccm으로 흘려줌). 그 후, 초순수와 불화수소산, 과산화수소수를 (5000:500:1)의 비율로 혼합한 식각 용액에서 25초 동안 MaCE를 진행하였다. 그 결과, 실리콘 표면에 형성된 팔라듐 나노입자를 촉매로 하여 짧은 시간 동안 화학적 식각한 결과 나노 크기의 요철이 생성됨을 확인하였으며, 특히 식각 전 팔라듐 나노입자들을 디웨팅시켰을 경우 더 확실한 표면 요철을 생성하여 높은 단위 체적당 표면적 비율을 얻을 수 있었다. 이를 실리콘 박막 가스 센서에 적용하여 수소 가스 센서로 이용하였을 때, 기존의 평판 실리콘 박막 센서에 비하여 센서의 감도면에서 매우 향상됨을 확인하였다. 수소 0.1% 농도의 가스 기준으로 센서의 감도가 4.36%에서 294%로 약 67.4배로 향상되었다.
