KR101885766B1 - 스트레인 센서 및 이의 제조방법 - Google Patents

스트레인 센서 및 이의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101885766B1
KR101885766B1 KR1020160057040A KR20160057040A KR101885766B1 KR 101885766 B1 KR101885766 B1 KR 101885766B1 KR 1020160057040 A KR1020160057040 A KR 1020160057040A KR 20160057040 A KR20160057040 A KR 20160057040A KR 101885766 B1 KR101885766 B1 KR 101885766B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
rod
electrode layer
layer
insulating layer
substrate
Prior art date
Application number
KR1020160057040A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20170126682A (ko
Inventor
배남호
이석재
이경균
김광희
유동은
정순우
이문근
윤석오
김용태
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020160057040A priority Critical patent/KR101885766B1/ko
Publication of KR20170126682A publication Critical patent/KR20170126682A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101885766B1 publication Critical patent/KR101885766B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/02—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems containing distinct electrical or optical devices of particular relevance for their function, e.g. microelectro-mechanical systems [MEMS]
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/02—Details
    • G01N3/04—Chucks
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/08—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/02—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/02—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of metals or alloys
    • H01B1/023—Alloys based on aluminium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/02—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of metals or alloys
    • H01B1/026—Alloys based on copper
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B3/00—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties
    • H01B3/02—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of inorganic substances
    • H01B3/12—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of inorganic substances ceramics
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B3/00—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties
    • H01B3/18—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances
    • H01B3/30—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances plastics; resins; waxes
    • H01B3/303—Macromolecular compounds obtained by reactions forming a linkage containing nitrogen with or without oxygen or carbon in the main chain of the macromolecule, not provided for in groups H01B3/38 or H01B3/302
    • H01B3/306—Polyimides or polyesterimides
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0058—Kind of property studied
    • G01N2203/0069—Fatigue, creep, strain-stress relations or elastic constants
    • G01N2203/0075—Strain-stress relations or elastic constants

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

본 개시 내용의 구체예에 따르면, 외력 또는 외부 압력의 작용 시 3차원적 구조를 갖는 센서 자체의 변형에 따른 저항 변화를 감지하는 방식으로 작동하여 다양한 분야, 예를 들면 세포의 거동을 모니터링을 수반하는 기술 분야에 효과적으로 적용할 수 있는 스트레인 센서 및 이의 제조방법이 개시된다.

Description

스트레인 센서 및 이의 제조방법 {Strain Sensors and Mothod for Fabricating the Same}
본 개시 내용은 스트레인 센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시 내용은 외력 또는 외부 압력의 작용 시 3차원적 구조를 갖는 센서 자체의 변형에 따른 저항 변화를 감지하는 방식으로 작동하여 다양한 분야에 적용할 수 있는 스트레인 센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
스트레인 센서는 기계적 시그널(예를 들면, 힘, 압력, 가속도, 변위, 토크 등)을 전기적 시그널로 전환하는 센서로 알려져 있다. 균일한 단면적을 가지는 원기둥 모양의 시편 양단에 외력을 인가하면 축 방향에 수직인 단면에는 외력에 균등한 크기의 저항력이 발생하는데, 이러한 저항력은 단면에 균일하게 분포하며 그 총합은 하중과 같다. 이 경우, 단위면적 당 저항력을 스트레스 또는 응력(stress)이라 하고 σ로 표시한다. 한편, 물체에 외력이 가해졌을 때 길이 등의 변화가 발생하는데 이를 스트레인 또는 변형(strain)이라 하고 ε로 표시한다. 일반적으로, 탄성 한계 범위 내에서는 재료에 대하여 스트레스(응력)와 스트레인 간에 하기 수학식 1과 같은 일정한 비례관계가 존재한다:
[수학식 1]
Figure 112016044494039-pat00001
여기서, 비례 정수 E를 영 모듈러스(Young's modulus)라고 한다.
스트레인 센서가 부착되어 있는 구조물에 압력을 가할 경우, 전도체 스트립의 치수가 변화하고, 그 결과 저항도 변화하게 된다. 따라서, 스트레인 센서를 장치 또는 구조물와 같은 피측정물의 표면에 부착하면, 저항소자 내 저항 값의 변화에 따라 해당 표면에서 발생하는 스트레인(변형)을 측정하는 것이 가능하다. 일반적으로 저항 값은 외력에 의하여 늘어나면 증가하는 반면, 압축되는 경우에는 감소하는 특성을 갖는다. 이처럼, 스트레인 센서는 특정 재료(또는 물질)의 변형(deformation)의 타입 및 량을 지시하는데 사용될 수 있고, 또한 해당 재료(또는 물질)의 거동을 예측하거나 이의 특성에 관한 정보를 수집하는 경우에도 활용될 수 있다.
이러한 스트레인 센서는 다양한 센싱 분야, 구체적으로 로드 셀(load cell; 문영선 등, SUS630 다이아프램을 이용한 반도체식 로드셀, Journal of Sensor Science and Technology, Vol. 20, No. 3 (2011) pp. 213-218), 온도 및/또는 압력 센서(예를 들면, K. N. Bhat, Silicon Micromachined Pressure Sensors, Journal of the Indian Institute of Science VOL 87:1 Jan-Mar 2007; 일본특허공개번호 제2003-35506호, 제2004-260187호 등), 위치 센서, 관성 센서, 유체의 유량 센서(예를 들면, 일본특개평 10-206202호 등) 등에 통합되어 이용되어 왔고, 자동차, 선박, 항공, 공업계측, 제동제어 등의 다양한 분야에서 폭넓게 사용되고 있다. 특히, 스트레인 센서를 이용한 각종 계측기도 수백 종류에 달하고 있다. 예를 들면, 로드 셀은 외부에서 가해지는 물리적인 하중의 변화를 감지하여 이를 전기적인 신호로 변환시키는 장치이며, 압력 센서는 차량 분야에서 유압 측정, 타이어 압력 측정, 브레이크 액압 측정 등을 위하여 사용할 수 있다.
종래에 소형이면서 내구성 및 정밀도가 우수하고 측정 범위가 넓은 금속 박막 스트레인 센서가 사용되고 있으며, 최근에는 반도체 집적회로 및 컴퓨터 관련 기술의 발전에 따라 고감도, 초소형 및 저가의 스트레인 센서를 제작할 수 있어 보다 광범위한 분야까지 적용되고 있다.
이와 같이 스트레인 센서의 확장된 적용 예 중 하나로서 바이오 센서 분야를 예시할 수 있다. 구체적으로, 세포의 정밀 위치 추적, 세포의 움직임, 힘 및 상태를 실시간으로 측정하는 세포 모니터링 기술을 들 수 있다. 힘, 기하학적 형상(geometry), 강성 등과 같은 기계적 요인은 다양한 생물학적 프로세스(세포 이동, 부착, 세포골격의 재조직화, 세포 분화 등)에 있어서 중대한 역할을 하게 된다. 이때, 세포는 기계적 힘을 감지하여 다양한 단백질 및 단백질 착체를 통하여 생화학적 시그널로 전환시킨다. 따라서, 세포에 의하여 작용되는 힘을 이해하는 것은 다양한 생리학적 프로세스를 이해하는데 중대한 역할을 하게 된다. 예를 들면, 표면 상에서 세포가 발휘하는 힘의 변화는 질병의 징후가 될 수 있는데, 암 세포는 정상 세포에 비하여 20%에서 50%까지 더 큰 힘을 나타내는 것으로 보고되고 있다.
이와 관련하여, 세포는 2가지 타입의 힘을 발휘하는 것으로 알려져 있다: 견인력(traction) 및 전방력(protrusive). 즉, 세포가 이동하기 위하여는 기재에 부착하여 견인해야 하며, 이때 견인력은 세포와 기재 사이의 포컬(focal) 지점에 집중되어 있다. 이처럼, 세포와 같은 미생물의 거동을 높은 감도 및 정밀도로 측정하는 기술에 대한 요구는 지속적으로 증가되었으며, 이를 위하여 스트레인 센서가 효과적으로 적용되고 있다.
이러한 스트레인 센서의 적용 기술의 예로서, 스트레인 센서 및 복수의 필라를 포함하는 3차원적 미세 구조 상측에 세포를 위치시켜 배양하고, 세포의 생장 변화에 따라 유발되는 힘 또는 압력에 의한 미세 구조의 변형을 스트레인 센서로 감지함으로써 세포의 생장 변화에 관한 정보를 확보하는 방법이 제시된 바 있다(예를 들면, 본 출원인에 의하여 출원된 국내특허공개번호 제2015-0138993호; N. Klejwa et al., Transparent SU-8 Three-Axis Micro Strain Gauge Force Sensing Pillar Arrays for Biological Applications, CONFERENCE PAPER, July 2007 등). 그러나, 전술한 선행문헌은 스트레인 센서 상부에 배치한 복수의 필라를 갖는 미세 구조가 그 위에 놓인 세포의 거동에 의하여 변형되는 정도를 미세 구조를 통하여 간접적으로 감지하는 방식을 개시하고 있다. 따라서, 정확도 또는 센싱 감도를 극대화하는데 한계가 존재한다.
더욱이, 상기 선행문헌에서는 스트레인 센서에 관하여는 구체적으로 언급하고 있지 않은 바, 이는 해당 선행문헌의 출원 당시 알려진 실리콘계 스트레인 센서는 전형적으로 실리콘 웨이퍼 상에 리소그래피 공정을 통하여 패턴화시킨 수평형 타입의 스트레인 센서이다.
이와 관련하여, 도 1은 종래 기술(김용대외 2인, 크롬실리사이드를 이용한 고온용 스트레인 게이지의 제작 및 성능평가, 대한기계학회 2009년도 추계학술대회 강연 및 논문 초록집, 2009.11, 1165-1168)에서 예시된 수평형 실리콘 기반의 스트레인 센서의 제조 공정을 단계 별로 도시한다.
상기 도면에 따르면, 스트레인 센서는 실리콘 웨이퍼(1)를 제공하고(단계 1), 그 위에 산화실리콘 막(2)을 증착한다(단계 2). 이후, 스퍼터링을 이용하여 크롬실리사이드 막(3)을 증착하고(단계 3), 대략 550 ℃에서 어닐링(annealing)한 다음(단계 4), 예를 들면 RIE(Reactive Ion Etching) 방식으로 식각하여 패터닝함으로써 패턴화된 크롬실리사이드 막(3')을 형성한다(단계 5). 그 다음, 절연층을 형성하기 위하여, 예를 들면 PECVD(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition)에 의하여 산화실리콘 막(4)을 증착하고(단계 6), 컨택 홀(contact hole)을 형성하기 위하여 건식 식각하여 패턴화된 산화실리콘 막(4')을 형성한다(단계 7).
이후, 포토레지스트를 코팅한 후 패터닝하여 컨택 홀 영역을 제외한 영역에 포토레지스트 층(5')을 형성한다(단계 8). 후속적으로, 백금(Pt)을 증착하여 구조물 전체 표면에 백금 층(6)을 증착한 다음(단계 9), 포토레지스트를 리프트-오프(lift-off)함으로써 컨택 홀 영역에 상당하는 부위에만 백금 막(6')을 남겨 최종 스트레인 센서를 제조한다.
전술한 바와 같은 수평형 스트레인 센서를 사용할 경우, 구조 상 상기 선행기술에서 의도하는 바와 같이 스트레인 센서 상에 부착되는 미세 구조와 접촉할 수 있게 된다.
또한, 일정 높이를 갖는 지지체 기둥 및 감지판을 기판 상에 형성하고, 감지판에 가해지는 외력에 의하여 지지체 기둥이 변형됨에 따라 이의 하부 측면에 부착되어 있는 금속 스트레인 센서가 지지체 기둥의 변형에 의하여 야기된 저항 변화를 감지하는 선행기술도 알려져 있다(예를 들면, 국내특허번호 제 1575678호, 제1550329호, 제1535552호, 제1502824호 등).
상기 선행 문헌들 역시 감지판에 가해진 외력을 지지체 기둥을 통하여 스트레인 센서가 간접적으로 감지하는 방식에 관한 것으로, 후술하는 본 개시 내용에 따른 방식과는 구별되며, 앞서 논의된 바와 같이 간접 센싱 방식이 갖는 제한적인 감도 개선 효과만을 얻을 수 있을 것으로 예상된다.
전술한 간접 센싱 방식의 한계를 극복함에 있어서, 스트레인 센서 구조 자체가 외력에 대하여 직접적으로 변형되어 이의 변형 정도를 감지하는 직접 센싱 방식을 구현할 수 있다면, 보다 정밀하고 높은 센싱 감도를 얻을 수 있을 것이다. 따라서, 직접 센싱 방식의 스트레인 센서에 대한 요구가 존재한다.
본 개시 내용에 따른 구체예에서는 스트레인 센서가 기둥과 같은 구조물에 부착되어 이러한 구조물의 변형 또는 움직임에 따른 저항의 변화를 감지하는 간접 방식의 센싱 시스템과 달리, 스트레인 센서 자체의 구조가 물리적으로 변형되면서 이에 따른 저항 변화를 직접적으로 측정함으로써 변형 여부 및 변형 정도를 감지할 수 있는 스트레인 센싱 시스템 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 개시 내용에 따른 다른 구체예에서는 전술한 스트레인 센싱 시스템을 이용하여 미생물 또는 세포의 거동을 감지하는 방법을 제공하고자 한다.
본 개시 내용의 제1 면에 따르면,
기판 상에 배열된 복수의 스트레인 센서 구조를 포함하며,
여기서, 상기 스트레인 센서 구조는,
상기 기판 상에 위치하는 제1 전극 층;
상기 기판 상에 위치하며 상기 제1 전극 층과 공간적으로 분리 형성되어 있는 제2 전극 층;
상기 제1 전극 층 및 상기 제2 전극 층 각각에 전기적으로 접촉하고, 변형 가능하여 저항의 변화를 유도하는 도전성 또는 반도전성의 적어도 하나의 제1 로드 및 적어도 하나의 제2 로드; 및
상기 적어도 하나의 제1 로드 및 상기 적어도 하나의 제2 로드 각각의 상측 면에 의하여 지지되거나 상기 적어도 하나의 제1 로드 및 상기 적어도 하나의 제2 로드 각각의 상측 면과 일체화되어 있고, 외부 힘 또는 압력에 의하여 하측에 위치하는 적어도 하나의 제1 로드 및 적어도 하나의 제2 로드가 변형되도록 외부 힘 또는 압력의 작용 면을 제공하는 플레이트;
를 포함하는 스트레인 센싱 시스템이 제공된다.
예시적 구체예에 따르면, 상기 제1 전극 층 및 상기 제2 전극 층은 금 재질일 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, 상기 적어도 하나의 제1 로드 및 상기 적어도 하나의 제2 로드는 도핑된 폴리실리콘 재질일 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, 상기 기판 상에 위치하는 스트레인 센서 구조는 적어도 4개일 수 있다.
본 개시 내용의 제2 면에 따르면,
기판 상에 배열된 복수의 스트레인 센서 구조를 포함하는 스트레인 센싱 시스템의 제조 방법으로서, 상기 복수의 스트레인 센서 구조 각각은 하기의 단계를 포함하는 방법으로 제조된다:
a) 기판 표면에 제1 절연층을 형성하는 단계;
b) 상기 기판 상에 형성된 제1 절연층의 표면의 일부 영역에 제1 전극 층을 형성하는 단계;
c) 상기 제1 전극 층이 형성된 표면 상에 제2 절연층을 형성하는 단계, 여기서 상기 제1 전극 층은 상기 제1 절연층 내에 매립됨;
d) 평면 상으로 상기 제1 전극층과 겹치지 않고 일정 간격을 유지하면서 제2 절연층 상의 일부 영역에 제2 전극 층을 형성하는 단계;
e) 상기 제2 절연층의 표면 중 상기 제2 전극 층 이외의 영역에 제3 절연층을 형성하는 단계;
f) 상기 제2 전극 층 및 상기 제3 절연층을 포함하는 표면 상에 희생층을 형성하는 단계;
g) 상기 제1 전극 층의 표면 및 상기 제2 전극 층의 표면 각각에 도달하는 적어도 하나의 제1 홀 및 적어도 하나의 제2 홀을 형성하는 단계;
h) 상기 적어도 하나의 제1 홀 및 상기 적어도 하나의 제2 홀을 채우면서 도전성 또는 반도전성 재료의 층을 형성하는 단계, 여기서 상기 적어도 하나의 제1 홀 및 상기 적어도 하나의 제2 홀에 대응하면서 채워진 도전성 또는 반도전성 재료는 적어도 하나의 제1 로드 및 적어도 하나의 제2 로드를 형성함;
i) 상기 도전성 또는 반도전성 재료 층을 에칭하여, 상기 적어도 하나의 제1 로드 및 상기 적어도 하나의 제2 로드 상에 플레이트가 형성된 구조를 얻는 단계; 및
j) 상기 단계 i)로부터 형성된 구조 내에 남아 있는 희생층 재료를 제거하여 상기 적어도 하나의 제1 로드 및 상기 적어도 하나의 제2 로드 각각의 길이 방향 일부를 노출시키는 단계.
본 개시 내용의 제3 면에 따르면,
기판 상에 배열된 복수의 스트레인 센서 구조를 포함하는 스트레인 센싱 시스템의 제조 방법으로서, 상기 복수의 스트레인 센서 구조 각각은 하기의 단계를 포함하는 방법으로 제조된다:
a') 기판 표면에 제1 절연층을 형성하는 단계;
b') 상기 기판 상에 형성된 제1 절연층의 표면의 일부 영역에 제1 전극 층을 형성하는 단계;
c') 상기 제1 전극 층이 형성된 표면 상에 제2 절연층을 형성하는 단계, 여기서 상기 제1 전극 층은 상기 제1 절연층 내에 매립됨;
d') 평면 상으로 상기 제1 전극층과 겹치지 않고 일정 간격을 유지하면서 제2 절연층 상의 일부 영역에 제2 전극 층을 형성하는 단계;
e') 상기 제2 절연층의 표면 중 상기 제2 전극 층 이외의 영역에 제3 절연층을 형성하는 단계;
f') 상기 제2 전극 층 및 상기 제3 절연층을 포함하는 표면 상에 희생층을 형성하는 단계;
g') 상기 제1 전극 층의 표면 및 상기 제2 전극 층의 표면 각각에 도달하는 적어도 하나의 제1 홀 및 적어도 하나의 제2 홀을 형성하는 단계;
h') 상기 적어도 하나의 제1 홀 및 상기 적어도 하나의 제2 홀을 채우면서 비도전성 재료의 층을 형성하는 단계, 여기서 상기 적어도 하나의 제1 홀 및 상기 적어도 하나의 제2 홀에 대응하면서 채워진 비도전성 재료는 적어도 하나의 제1 로드 및 적어도 하나의 제2 로드를 형성함;
i') 상기 비도전성 재료 층을 에칭하여, 상기 적어도 하나의 제1 로드 및 상기 적어도 하나의 제2 로드 상에 플레이트가 형성된 구조를 얻는 단계;
j') 상기 단계 i')로부터 형성된 구조 내에 남아 있는 희생층 재료를 제거하여 상기 적어도 하나의 제1 로드 및 상기 적어도 하나의 제2 로드 각각의 길이 방향 일부를 노출시키는 단계; 및
k') 상기 적어도 하나의 제1 로드 및 상기 적어도 하나의 제2 로드, 그리고 상기 플레이트에 대하여 이온주입을 통하여 도전성 또는 반도전성을 부여하는 단계.
예시적 구체예에 따르면, 상기 단계 i) 또는 단계 i')에 있어서, 제1 전극 층 및 제2 전극 층 각각의 표면까지 에칭될 수 있다.
본 개시 내용의 제4 면에 따르면,
스트레인 센싱 시스템을 이용하여 미생물 및/또는 세포의 거동을 모니터링하는 방법으로서,
상기 스트레인 센싱 시스템은 기판 상에 배열된 복수의 스트레인 센서 구조를 포함하며,
여기서, 상기 스트레인 센서 구조는,
상기 기판 상에 위치하는 제1 전극 층;
상기 기판 상에 위치하며 상기 제1 전극 층과 공간적으로 분리 형성되어 있는 제2 전극 층;
상기 제1 전극 층 및 상기 제2 전극 층 각각에 전기적으로 접촉하고, 변형 가능하여 저항의 변화를 유도하는 도전성 또는 반도전성의 적어도 하나의 제1 로드 및 적어도 하나의 제2 로드; 및
상기 적어도 하나의 제1 로드 및 상기 적어도 하나의 제2 로드 각각의 상측 면에 의하여 지지되거나 상기 적어도 하나의 제1 로드 및 상기 적어도 하나의 제2 로드 각각의 상측 면과 일체화되어 있고, 외부 힘 또는 압력에 의하여 하측에 위치하는 적어도 하나의 제1 로드 및 적어도 하나의 제2 로드가 변형되도록 외부 힘 또는 압력의 작용 면을 제공하는 플레이트;
를 포함하며,
상기 미생물 및/또는 세포는 플레이트 상에 위치하여 이의 거동에 따른 힘 또는 압력을 상기 플레이트에 작용하도록 하는 방법이 제공된다.
본 개시 내용의 구체예에 따라 제공되는 스트레인 센싱 시스템은 스트레인 센서 자체의 구조가 변형 가능하고, 센서 내 구조 변형에 따른 스트레인을 직접적으로 감지할 수 있기 때문에 구조물의 특정 부위에 스트레인 센서를 별도로 장착하여 해당 부위의 변형을 간접적으로 감지하는 종래 기술에 의하여 달성하기 곤란한 높은 센싱 감도를 얻을 수 있다. 특히, 미생물 및/또는 세포의 생장 등으로부터 비롯된 거동 또는 움직임에 의하여 발생하는 미세한 스트레인을 높은 감도로 정밀하게 측정할 수 있기 때문에 신약 개발, 질병 치료 등의 다양한 응용 분야에 적용할 수 있는 장점을 갖는다. 따라서, 향후 광범위한 활용이 기대된다.
도 1은 종래기술의 일 예에 따라 수평형 스트레인 센서를 제작하는 일련의 과정을 도시하는 도면이고;
도 2a는 본 개시 내용의 예시적 구체예에 따른 스트레인 센싱 시스템을 구성하는 복수의 스트레인 센서 중 하나의 단면도이고;
도 2b는 본 개시 내용의 예시적 구체예에 따른 스트레인 센싱 시스템에 있어서 절연층을 제외한 복수의 스트레인 센서 구조의 연결 방식을 개략적으로 도시하는 사시도이고;
도 3a는 본 개시 내용의 예시적 구체예에 따라 복수의 스트레인 센서 구조의 어레이가 구비된 스트레인 센싱 시스템을 도시하는 평면도이고;
도 3b는 본 개시 내용의 예시적 구체예에 따라 복수의 스트레인 센서 구조의 어레이가 구비된 스트레인 센싱 시스템에 있어서, 스트레인 센서 구조의 플레이트 및 이를 지지하는 제1 로드 및 제2 로드의 배치 형태를 예시하는 평면도이고;
도 4는 본 개시 내용의 예시적 구체예에 따라 스트레인 센싱 시스템을 제작하는 일련의 과정을 도시하는 도면이고;
도 5는 본 개시 내용의 또 다른 예시적 구체예에 따라 스트레인 센싱 시스템을 제작하는 일련의 과정을 도시하는 도면이고; 그리고
도 6은 본 개시 내용의 일 구체예에 있어서, 스트레인 센싱 시스템을 이용하여 세포의 거동을 모니터링하는 원리를 개략적으로 도시하는 도면이다.
본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 개별 구성에 관한 세부 사항은 후술하는 관련 기재의 구체적 취지에 의하여 적절히 이해될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 하기와 같이 정의될 수 있다.
"상에" 및 "위에"라는 표현은 상대적인 위치 개념을 언급하기 위하여 사용되는 것으로 이해될 수 있다. 따라서, 언급된 층에 다른 구성 요소 또는 층이 직접적으로 존재하는 경우뿐만 아니라, 그 사이에 적어도 하나의 다른 층(중간층 또는 개재층)이 존재하거나, 또는 추가 구성 요소가 개재되거나 존재할 수도 있다. 이와 유사하게, "하측에", "하부에" 및 "아래에"라는 표현 및 "사이에"라는 표현 역시 위치에 대한 상대적 개념으로 이해될 수 있을 것이다. 또한, "순차적으로"라는 표현 역시 상대적인 위치 개념으로 이해될 수 있다.
"공간적으로 분리된"이라는 표현은 2차원 평면 상에서 분리되어 있는 경우 및 3차원 공간 상에서 분리되어 있는 경우 모두를 포함하는 것으로 이해될 수 있다.
"평면 상으로"라는 용어는 특정 요소 또는 부재를 동일 평면 상에 투사하는 경우를 포함하는 것으로 해석될 수 있는 바, 예를 들면 서로 높이가 상이한 2개의 요소 또는 부재를 위에서 아래로(또는 아래에서부터 위로) 투사하여 형성되는 면을 기준으로 할 수 있다.
"접촉한다"는 용어의 경우, 협의로는 2개의 대상 간의 직접적인 접촉을 의미하기는 하나, 광의로는 임의의 추가 구성 요소가 개재될 수 있는 것으로 이해될 수 있다.
"미생물"이라는 용어는 육안으로 관찰하기에는 지나치게 작은 살아 있는 생물체로서 박테리아, 진균(fungi), 원생생물(protozoans), 조류(algae) 및 바이러스를 포함할 수 있다.
본 명세서에 있어서 임의의 구성 요소 또는 부재가 다른 구성 요소 또는 부재와 "연결된다" 또는 "연통된다"고 기재되어 있는 경우, 달리 언급되지 않는 한, 상기 다른 구성 요소 또는 부재와 직접 연결 또는 연통되어 있는 경우뿐만 아니라, 다른 구성 요소 또는 부재의 개재 하에서 연결 또는 연통되어 있는 경우도 포함되는 것으로 이해될 수 있다.
스트레인 센싱 시스템
도 2a는 본 개시 내용의 예시적 구체예에 따른 스트레인 센싱 시스템을 구성하는 복수의 스트레인 센서 중 하나의 단면도이고, 도 2b는 본 개시 내용의 예시적 구체예에 따른 스트레인 센싱 시스템에 있어서 절연층을 제외한 복수의 스트레인 센서 구조의 연결 방식을 개략적으로 도시하는 사시도이다.
상기 도시된 구체예에 따르면, 스트레인 센싱 시스템(100)은 기판(101) 상에 복수의 스트레인 센서 구조가 규칙적 또는 불규칙적 간격을 갖는 어레이 형태로 배열 또는 정렬되어 있는 형태로 이루어져 있다.
기판(101)을 구성하는 재료의 대표적인 예는 실리콘(예를 들면, 단결정 실리콘 등), 석영(예를 들면, 단결정 석영, 용융(fused) 또는 비정질 석영 등), 글래스, 각종 세라믹 재질의 기판 등을 포함할 수 있다.
상기 도면을 참고하면, 기판(101) 상에 각각 단차를 두고 평면 상으로 중복되지 않도록 이격된, 즉 공간적으로 상호 분리된 한 쌍의 전극, 즉 제1 전극 층(106) 및 제2 전극 층(107)이 형성되어 있다. 도시된 구체예에서는 제1 전극 층(106) 및 제2 전극 층(107)이 상이한 높이로 형성되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 동일 높이로 형성되는 경우 역시 고려될 수 있다. 이러한 한 쌍의 전극 층(106, 107) 각각은 당업계에서 알려진 패턴화(예를 들면, 마스크를 이용한 패턴화) 공정을 통하여 형성될 수 있다.
예시적 구체예에 있어서, 제1 전극 층(106) 및 제2 전극 층(107) 각각은 당업계에서 알려진 도전층 형성 공정(예를 들면, 물리적 증착법(PVD; 예를 들면 스퍼터링, 증발(evaporating) 등), 화학적 증착법(CVD; 예를 들면, 플라즈마 화학기상증착(PECVD), 열적 화학기상 증착(thermal CVD) 등) 및/또는 패턴화 공정(예를 들면, 포토리소그래피 공정 등)을 통하여 원하는 패턴, 형상 및/또는 치수를 갖도록 형성될 수 있다.
상기 한 쌍의 전극 층(106, 107) 각각의 재질은 서로 같거나 다를 수 있는 바, 예를 들면 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 이의 조합(또는 합금) 등을 들 수 있으며, 구체적으로는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt) 및/또는 구리(Cu), 보다 구체적으로는 금(Au) 재질일 수 있다. 다만, 본 발명이 상기 예시된 종류로 한정되는 것은 아니다. 제1 전극 층(106) 및 제2 전극 층(107) 각각의 두께는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 약 10 nm 내지 약 2 ㎛, 구체적으로 약 100 nm 내지 약 1 ㎛, 보다 구체적으로 약 200 내지 500 nm 범위일 수 있다.
일 구체예에 따르면, 제1 전극 층(106) 및 제2 전극 층(107)은 절연층(102)에 의하여 서로 절연되어 있다. 이러한 절연층(102)의 예로서, SiO2, 포토레지스트, 폴리이미드, 파릴렌(parylene; 즉 폴리(p-자일렌) 고분자), 질화규소(Si3N4) 등을 들 수 있는 바, 단독으로 또는 조합하여(예를 들면, 절연층을 구성하는 개별 층을 서로 다른 재료로 사용하는 경우 및 혼합물 형태로 사용하는 경우도 포함할 수 있음) 사용할 수 있다. 이러한 절연층(102)은 후술하는 바와 같이 SiO2, Si3N4 재질 등의 경우에는 당업계에서 알려진 증착 공정(특히, 저온 운전이 가능한 PECVD), 그리고 고분자 재질의 경우에도 당업계에서 공지된 스핀 코팅, 딥-코팅, 닥터-블레이드, 스프레이 코팅 등(보다 구체적으로는 스핀 코팅)에 의하여 형성될 수 있다. 특정 구체예에 따르면, 절연층(102)으로서 SiO2 재질을 사용할 수 있는 바, SiO2 재질은 반도체 공정에 있어서 가장 일반적으로 사용될 뿐만 아니라, 절연 특성이 우수하다.
또한, 도시된 구체예에 있어서, 기판(101)과 제1 전극층(106) 사이에도 절연층(102)이 개재되어 있는 바, 이때 기판(101)의 상면으로부터 제1 전극층(106)의 하면까지의 거리(즉, 기판(101)과 제1 전극층(106) 사이에 개재되어 있는 절연층의 두께)는, 예를 들면 약 50 내지 2000 nm, 구체적으로 100 내지 1000 nm, 보다 구체적으로 약 300 내지 700 nm 범위일 수 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 한 쌍의 전극 층(106, 107)의 재질로 금(Au)을 사용할 경우, 양호한 전기적 특성에도 불구하고, 하측에 위치하는 절연층(102)의 표면과 부착성이 좋지 않을 수 있다. 이는 절연층(102)의 표면이 낮은 표면 에너지 등으로 인하여 결합성(bonding)이 낮기 때문이다. 이와 같이 하측에 형성되어 있는 절연층(102) 표면에 대한 부착 곤란성을 완화할 목적으로, 특정 구체예에서는 절연층(102)과 전극 층(106, 107) 사이에 선택적으로 중간층(intermediate layer)을 개재할 수 있다(예를 들면, 전극 층/중간층의 2층 구조). 이러한 중간층으로서, 접착성이 양호한 금속, 예를 들면 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 스칸듐(Sc), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo) 등, 보다 구체적으로 티타늄(Ti), 크롬(Cr) 등을 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있다.
본 발명이 특정 이론에 구속되는 것은 아니지만, 상술한 중간층 형성용 금속은 절연층(102) 표면 상에서 극성 원자와 화학적 결합을 형성할 수 있기 때문에 전극 층(106, 107)과 하측의 절연층(102) 간의 견고한 부착을 유도할 수 있는 것으로 판단된다. 상술한 구체예에서, 중간층 역시 열 증착(thermal vapor deposition), 스퍼터링, E-beam 증착 등과 같은 공지의 방법을 이용하여 절연층(102) 상에 부착될 수 있다. 이의 두께는, 예를 들면 약 1 내지 500 nm, 구체적으로 약 5 내지 300 nm, 보다 구체적으로 약 10 내지 100 nm 범위일 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, 전극 층(및 중간층)의 형성 단계는, 예를 들면 50 ℃의 챔버 온도에서 수행될 수 있고, 예를 들면 타겟(Au 등)에만 특이적으로 레이저를 조사하여 타겟의 유리 전이 온도까지 가열하여 증착시킬 수 있고, 이때 증착 두께는 증착 시간에 따라 조절할 수 있다.
본 개시 내용의 일 구체예에 있어서, 제1 전극 층(106) 및 제2 전극 층(107) 각각에 전기적으로 접촉하는 적어도 하나의 제1 로드(103) 및 적어도 하나의 제2 로드(104)가 형성된다. 이때, 스트레인 센서를 구성하는 요소인 제1 로드(103) 및 제2 로드(104)는 외부의 힘 또는 압력이 작용함에 따라 변형되고, 그 결과 저항 등의 전기적 특성이 변화할 수 있는 재질일 수 있다. 상기 한 쌍의 로드(103, 104)로서, 전형적으로 폴리실리콘계 재료를 사용할 있으며, 이외에도 전술한 물리적 및/또는 전기적 요구 물성을 충족할 수 있는 한, 다양한 재질(예를 들면, 고분자, 금속, 금속 합금 등)을 사용할 수 있다. 또한, 예시적 구체예에 있어서, 제1 로드(103) 및 제2 로드 각각은 다양한 형상으로 구현할 수 있는 바, 대표적으로 도시된 바와 같이 실린더 형상뿐만 아니라, 원뿔형, 육면체형, 사각뿔형 등의 형상을 가질 수 있다.
일 구체예에 있어서, 제1 로드(103) 및 제2 로드(104)는 외력 또는 외부 압력에 의한 구조 변형에 따라 저항의 변화를 유도할 수 있는 전기적 특성을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 예시적 구체예에 따르면, 제1 로드(103) 및 제2 로드(104) 각각의 저항(resistance)은, 예를 들면 약 100 MΩ 이하, 구체적으로 약 1 MΩ 이하, 보다 구체적으로 약 5 kΩ 이하의 범위일 수 있다. 이러한 전기적 특성을 구현하기 위하여, 제1 로드(103) 및 제2 로드(104)는 도전성 또는 반도전성의 특성을 갖는 것이 요구될 수 있다. 상술한 전기적 특성을 부여하기 위하여, 폴리실리콘을 사용할 경우, 전도성을 부여할 목적으로 제1 로드(103) 및 제2 로드(104)의 형성 과정에서 도판트(dopant)를 혼입할 수 있다. 예시적 구체예에 있어서, n-타입의 도판트의 경우 V족 원소인 안티몬(Sb), 비소(As) 및 인(P) 중 적어도 하나를 사용할 수 있는 한편, p-타입 도판트의 경우 III족 원소인 붕소(B), 갈륨(Ga) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 이때, 주입되는 도판트의 농도는, 예를 들면 약 5e19 at/cm3 내지 5e21 at/cm3, 구체적으로 약 1e10 at/cm3 내지 9e20 at/cm3 범위일 수 있다.
택일적 구체예에 따르면, 전술한 구체예와 달리 도판트를 사용하지 않고 제1 로드(103) 및 제2 로드(104)를 형성하고, 이후 최종 스트레인 센서 구조가 얻어지면 인-시튜(in-situ) 이온 주입 방식으로 도전성 또는 반도전성을 부여할 수 있다.
일 구체예에 있어서, 제1 로드(103) 및 제2 로드(104)는 서로 같거나 다른 재질로 구성될 수도 있으며, 단면 사이즈와 같은 치수 역시 같거나 다를 수 있다. 예시적으로, 제1 로드(103) 및 제2 로드(104) 각각의 단면 사이즈(또는 직경)는, 예를 들면 약 1 nm 내지 50 ㎛, 구체적으로 약 10 nm 내지 10 ㎛, 보다 구체적으로 약 30 내지 1000 nm 범위 내에서 선택될 수 있으나, 이러한 수치 범위는 예시적인 것으로 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 제1 로드(103) 및 제2 로드(104) 각각의 길이는, 적용하고자 하는 분야에서 가해지는 외력 또는 외부 압력에 대하여 저항 등을 변화시켜 스트레인을 감지할 수 있는 범위 내에서 정하여질 수 있다. 예시적으로, 제1 로드(103)의 길이는 약 10 nm 내지 760 ㎛(구체적으로 약 50 nm 내지 300 ㎛, 보다 구체적으로 약 100 nm 내지 10 ㎛) 범위일 수 있고, 제2 로드(104)의 길이는 약 10 nm 내지 760 ㎛(구체적으로 약 50 nm 내지 300 ㎛, 보다 구체적으로 약 100 nm 내지 10 ㎛) 범위일 수 있다. 이와 관련하여, 도시된 바와 같이, 절연층(102) 내에 제1 전극 층(104)이 매립되어 있는 경우에는 제1 로드(103)의 길이가 제2 로드(104)에 비하여 클 것이다. 특정 구체예에 따르면, 상기 제1 로드(103) 및 제2 로드(104) 각각의 종횡비(aspect ratio)는, 예를 들면 약 100:1 내지 약 5:1, 구체적으로 약 50:1 내지 약 10:1, 보다 구체적으로 보다 구체적으로 약 40:1 내지 약 15:1의 범위일 수 있다.
일 구체예에 따르면, 제1 로드(103) 및 제2 로드(104) 각각의 상측 면에는 소정 사이즈 또는 형태의 플레이트(105)가 일체적으로 형성되어 있으며, 상기 제1 로드 및 제2 로드에 의하여 지지되는 형상을 가질 수 있다. 이러한 플레이트(105)는 제1 로드 및 제2 로드와 같거나 다른 재질일 수 있으며, 예를 들면 전도성을 부여할 목적으로 이의 형성 과정에서 도판트(dopant)를 혼입할 수 있다. 예시적 구체예에 있어서, n-타입의 도판트의 경우 V족 원소인 안티몬(Sb), 비소(As) 및 인(P) 중 적어도 하나를 사용할 수 있는 한편, p-타입 도판트의 경우 III족 원소인 붕소(B), 갈륨(Ga) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 이때, 주입되는 도판트의 농도는, 예를 들면 약 5e19 at/cm3 내지 5e21 at/cm3, 구체적으로 약 1e10 at/cm3 내지 9e20 at/cm3 범위일 수 있다. 다만, 후술하는 바와 같이 스트레인 센서 구조의 형성 공정 중 패턴화 공정에 앞서 제1 로드 및 제2 로드와 함께 형성될 수 있는 만큼, 동일 재질로 구성하는 것이 유리할 수 있다. 또한, 플레이트(105)는 외력 또는 외부 압력을 하측의 제1 로드(103) 및 제2 로드(104)에 효과적으로 전달할 수 있는 한, 특정 형상 및 치수로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 직사각형, 원형, 삼각형, 마름모 등을 비롯한 다양한 형상을 가질 수 있다. 또한, 플레이트(105)의 폭(사이즈 또는 직경)은, 예를 들면 각각 약 10 nm 내지 100 ㎛(구체적으로 약 50 nm 내지 약 50 ㎛, 보다 구체적으로 약 100 내지 10000 nm) 범위일 수 있다.
한편, 예시적 구체예에 있어서, 상기 제1 로드(103) 및 제2 로드(104) 각각의 개수는 플레이트(105)에 가해지는 외력 또는 외부 압력에 대하여 플레이트(105)를 안정적으로 지지하고, 적절한 저항 변화를 감지할 수 있는 범위 내에서 정하여질 수 있는 바, 예를 들면 스트레인 센서 구조 중 제1 로드(103) 및 제2 로드(104) 각각을 복수로 구성할 수도 있다. 예시적으로, 단일 스트레인 센서 구조 중 제1 로드(103) 및 제2 로드(104) 각각은 예를 들면 약 8개까지, 구체적으로 약 3개까지, 보다 구체적으로 약 2개까지 포함될 수 있다.
도시된 구체예에 있어서, 기판(101) 상에 형성된 스트레인 센서 구조의 어레이 중 개별 스트레인 센서 구조의 개수 및 배열(또는 정렬)은 특별히 한정되지는 않으나, 후술하는 바와 같이 스트레인 센서 구조 상에 미생물 및/또는 세포의 거동을 모니터링하는 등의 용도로 사용하는 점을 고려할 때, 예를 들면 복수개, 구체적으로 적어도 4개를 구비하는 것이 유리할 수 있다. 예시적으로 10 mm × 10 mm 사이즈의 기판 상에 약 9,216 내지 1,024개 범위의 스트레인 센서 구조로 시스템을 구성할 수 있는 바, 구체적으로 약 256개, 보다 구체적으로 약 64개의 스트레인 센서 구조를 배열(또는 정렬)할 수 있다.
한편, 도 3a 및 도 3b 각각은 본 개시 내용의 예시적 구체예에 따라 복수의 스트레인 센서 구조의 어레이가 구비된 스트레인 센싱 시스템, 그리고 스트레인 센서 구조의 플레이트 및 이를 지지하는 제1 로드 및 제2 로드의 배치 형태를 도시한다.
도 3a에 예시된 구체예의 경우, 약 400 ㎛ × 400 ㎛ 사이즈의 기판 상에 4개의 스트레인 센서 구조의 조합으로 이루어진 스트레인 센싱 시스템이 가로 16개 및 세로 16개로 이루어진 어레이 형태로 배열되어 있다(즉, 1,024 어레이). 또한, 도 3b를 참고하면, 약 5 ㎛ 사이즈의 육각형 단면을 갖는 플레이트(105) 하측에 각각 약 500 nm 사이즈의 제1 로드(103) 및 제2 로드(104)가 위치할 수 있는 바, 복수의 플레이트(105) 각각에 가해지는 외력 또는 외부 압력에 의하여 제1 로드(103) 및 제2 로드(103) 각각은 변형되고, 이로부터 유발된 저항 등의 변화를 통하여 스트레인 센서 구조에 가해지는 외력 또는 압력에 의한 스트레인을 감지할 수 있게 된다.
스트레인 센싱 시스템의 제조방법
본 개시 내용의 일 구체예에서는 전술한 스트레인 센싱 시스템의 제조방법이 제공된다. 이와 관련하여, 도 4는 본 개시 내용의 예시적 구체예에 따라 스트레인 센싱 시스템을 제작하는 일련의 과정을 도시하는 도면이다. 또한, 도 5는 본 개시 내용의 또 다른 예시적 구체예에 따라 스트레인 센싱 시스템을 제작하는 일련의 과정을 도시하는 도면이다. 도 4에 도시된 구체예와 도 5에 도시된 구체예는 전체적인 공정 순서에서는 서로 유사하나, 제1 로드 및 제2 로드 각각에 도전성 또는 반도전성을 부여하는 방식에 있어서 구별된다. 따라서, 이하의 설명에서는 상술한 2가지 구체예에 공통적인 단계의 경우에는 동일한 설명의 반복을 회피하기 위하여 함께 기재하도록 한다.
먼저, 단계 1에서는 기판(201)으로서, 예를 들면 실리콘(예를 들면, 단결정 실리콘 등), 석영(예를 들면, 단결정 석영, 용융(fused) 또는 비정질 석영 등), 글래스, 각종 세라믹 재질의 기판, 구체적으로 실리콘(구체적으로 단결정 실리콘) 재질의 웨이퍼를 제공하고, 이의 표면 상에 또는 표면 영역에 절연층(202)을 형성한다(제1 절연층).
제1 절연층(202)으로서 SiO2를 형성하는 경우, 예를 들면 산화(구체적으로, 열 산화)를 통하여 실리콘 웨이퍼의 표면 상에 SiO2 층을 형성할 수 있다. 즉, 실리콘 웨이퍼 표면으로부터 일부 두께를 SiO2로 산화(예를 들면, 열 산화)시킨 것이다(즉, 실리콘(Si) 웨이퍼 표면에 SiO2 층이 형성됨).
택일적으로, SiO2 층을 형성하기 위하여, 당업계에서 알려진 부착 또는 증착(deposition) 방식, 예를 들면 PVD(예를 들면, 스퍼터링 등), CVD(예를 들면, LPCVD, SACVD, APCVD 등), 또는 PECVD 공정 등의 박막 형성 테크닉을 이용할 수도 있다. 이 경우, 베이스 Si 소스로서 SiH4 또는 하기 일반식 1로 표시되는 TEOS를 사용하고, 베이스 가스로서 O2를 사용할 수 있다.
[일반식 1]
Figure 112016044494039-pat00002
이와 관련하여, SiO2 생성은 하기 반응식 1 및 2에 의하여 형성 가능하다.
[반응식 1]
SiH4 + O2 → SiO2 + 2H2
[반응식 2]
Si(OC2H5)4 + 6O2 → SiO2 + 10 H2O + 8CO2 + 부생성물 혼합물
또 다른 구체예에 따르면, 제1 절연층(202) 재질로서 포토레지스트, 폴리이미드, 파릴렌 등의 고분자 재질을 사용할 경우에는, 스핀 코팅, 딥-코팅, 닥터-블레이드, 스프레이 코팅 등(보다 구체적으로는 스핀 코팅)과 같은 고분자층의 형성 방식을 이용할 수도 있다.
상기 구체예에 있어서, 생성되는 제1 절연층(202)의 두께는, 예를 들면 약 50 내지 2000 nm, 구체적으로 100 내지 1000 nm, 보다 구체적으로 약 300 내지 700 nm 범위일 수 있다.
도시된 구체예의 경우, 단계 2에서는 상기 기판 영역(예를 들면, 제1 절연층/기판) 상에 제1 전극 층(203; 바닥 전극 층)을 형성하는 바, 이때 제1 전극 층(203)은 제1 절연층(202) 표면 중 일부 영역에 걸쳐 형성 가능하며, 이를 위하여 전술한 바와 같이 당업계에서 알려진 패턴화 기술을 이용할 수 있다. 예시적으로, 마스크를 이용하여 원하는 영역에만 전극 층을 형성할 수 있다.
상기 제1 전극 층(203)의 재질은 전술한 바와 같이 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 텅스텐(W) 또는 이의 조합(또는 합금)일 수 있으며, 접착력 향상을 위하여, 제1 절연층(202)과 제1 전극 층(203) 사이에 예를 들면 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 스칸듐(Sc), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 또는 이의 조합으로 이루어지는 중간층을 개재할 수 있다. 특정 구체예에서는 제1 전극층(203)은 중간층으로서 크롬(Cr) 층 상에 금(Au) 층이 형성된 것일 수 있다. 제1 전극층(203) 및 중간층 각각의 형성 방법 및 두께 등의 치수는 앞서 설명한 바와 같다.
한편, 단계 3에서는 상기 제1 전극층(203)에 의하여 부분적으로 덮혀 있는 제1 절연층(202) 표면 상에 제1 전극층(203)의 절연을 위하여 제2 절연층(204)이 형성된다. 상기 제2 절연층(204)은 대표적으로 SiO2 재질로 형성할 수 있으나, 전술한 바와 같이 포토레지스트, 폴리이미드, 파릴렌 등의 고분자 재질을 채택할 수도 있다.
도시된 구체예에 있어서, 제2 전극층(204)은 하측에 위치하는 표면의 기하학적 형상에 따라 형성되는 만큼, 하측에 제1 전극층(203)이 형성된 부위는 돌출되는 형태로 단차를 나타낸다.
예시적 구체예에 따르면, 상기 제2 절연층(204)은 당업계에서 알려진 증착(예를 들면, 구체적으로 PVD(예를 들면, 스퍼터링 등), CVD(예를 들면, LPCVD, SACVD, APCVD 등), 또는 PECVD 공정) 또는 코팅 기술(스핀 코팅, 딥-코팅, 닥터-블레이드, 스프레이 코팅 등)을 이용하여 형성할 수 있다. 다만, 증착 방식을 이용할 경우, 유리하게는 PECVD 공정에 의하여 형성될 수 있는 바, 이는 SiO2 재질 대신에 고분자 재질을 사용할 경우에도 비교적 저온에서 박막을 형성할 수 있기 때문이다.
예시적으로, 절연층으로서 SiO2 재질을 사용할 경우, SiH4 및 N2O를 증착 전구체로서 플라즈마 내에 도입할 경우, 플라즈마에 의하여 형성된 Si 및 O 라디컬이 주된 종(species)을 형성하고 하기 반응식 3에 의하여 SiO2를 형성하게 된다.
[반응식 3]
Si(g) + 2O(g) → SiO2(s)
특정 구체예에 따르면, 상기 제2 절연층(204)의 두께는, 예를 들면 약 10 내지 10000 nm, 구체적으로 약 50 내지 1000 nm, 보다 구체적으로 약 150 내지 500 nm 범위일 수 있다. 또한, 제2 절연층(204)으로서 고분자 재질을 사용할 경우에는 낮은 온도에서 공정을 수행할 수도 있을 것이다. 예시적으로, 제2 절연층(204)은 전술한 제1 절연층(202)과 재질, 치수 및/또는 물성 면에서 동일하거나 다를 수 있다.
전술한 바와 같이, 제2 절연층(204)은 단차로 형성되는 바, 후속 단계에서는 단차를 형성하며 돌출되어 있는 제2 절연층(204)의 부위를 제거하는 평탄화 테크닉(제1 평탄화 단계)이 적용될 수 있다(단계 4). 그 결과, 제1 전극층(203)은 평탄화된 제2 절연층(204') 내에 매립되어 있는 상태에 있게 된다. 이러한 평탄화 단계는 후속 리소그래피 또는 마스킹 공정에서 조사 과정 중 소위 깊이 집중(depth focus) 방지하기 위하여 수행된다. 전형적으로 당업계에서 알려진 평탄화 방식, 예를 들면 CMP(chemical mechanical polishing) 방식에 의하여 수행 가능하며, 따라서 양호한 평탄화 표면을 얻을 수 있다.
이와 관련하여, CMP 공정은, 처리 대상물의 표면을 통상적으로 폴리우레탄으로 제조된 폴리싱 패드에 밀착시킨 상태에서 수백 nm 크기의 폴리싱제(abrasive)가 함유된 슬러리를 폴리싱 패드의 표면에 분산시켜 박막의 화학적 반응을 유도하면서 폴리싱 플래튼(polishing platen)을 고속 회전시켜 개질된 표면을 기계적으로 제거하는 방식으로 알려져 있다. CMP 공정에 사용되는 장치 및 조건은 당업계에 공지되어 있으며, 상기 구체예에서는 통상의 CMP 조건을 채택할 수 있다.
제1 평탄화 단계가 종료된 이후에는 평탄화된 제2 절연층(204') 상에 제2 전극층(205; 상부 전극 층)을 형성한다(단계 5). 구체적으로, 제1 전극층(203)에서와 유사하게 제2 전극 층(205)은 제2 절연층(204') 표면 중 일부 영역에 걸쳐 형성되도록 패턴화 과정을 거칠 수 있는 바, 전형적으로는 마스크를 이용하여 원하는 영역에만 전극이 형성될 수 있다. 또한, 제2 전극층(205)은 제1 전극층(203)과 재질 및 치수(특히, 두께) 면에서 서로 같거나 다를 수 있나, 전형적으로는 서로 같은 재질 및/또는 두께를 가질 수 있다.
다만, 제1 전극층(203) 및 제2 전극층(205)은 후술하는 바와 같이 서로 이격되어 있는 한 쌍의 로드 각각에 전기적으로 접촉되어야 하는 만큼, 제2 전극층(205)은 평면 상으로 관찰 시 제1 전극층(203)과 겹치지 않는 제2 절연층(204')의 영역(부위), 보다 전형적으로는 평면 상으로 관찰 시 서로 일정 간격(예를 들면, 약 10 nm 내지 약 50 ㎛, 구체적으로 약 100 nm 내지 약 10 ㎛, 보다 구체적으로 약 200 내지 500 nm)을 두거나 유지하면서 배열될 수 있다.
한편, 제2 전극층(205)이 형성된 후에는 제2 전극층(205)에 의하여 부분적으로 덮혀 있는 제2 절연층(204')의 표면 상에 절연층으로서 제3 절연층(206)을 형성한다(단계 6). 제3 절연층(206)을 SiO2 재질로 구성할 경우에는 전술한 바와 같이 증착(구체적으로 PVD(예를 들면, 스퍼터링 등), CVD(예를 들면, LPCVD, SACVD, APCVD 등), 또는 PECVD 공정) 또는 코팅(스핀 코팅, 딥-코팅, 닥터-블레이드, 스프레이 코팅 등) 공정에 의하여 형성할 수 있다. 택일적으로, 제3 절연층(206)으로서 고분자 재질을 사용할 경우, SiO2 재질에 비하여 낮은 온도에서 형성될 수 있다. 상기 제3 절연층(206)의 두께는, 예를 들면 약 10 내지 10000 nm, 구체적으로 약 50 내지 1000 nm, 보다 구체적으로 약 150 내지 500 nm 범위일 수 있다. 예시적으로, 제3 절연층(206)은 전술한 제2 절연층(204)과 동일 재질 및/또는 동일 치수 및/또는 동일 물성을 가질 수 있다.
제2 절연층(204)에서와 유사하게, 제2 전극층(205)이 부분적으로 덮혀 있는 제2 절연층(204)의 표면 상에 절연층을 형성하는 만큼, 도시된 바와 같이 제3 절연층(206)은 하측에 위치하는 표면의 기하학적 형상을 따라 형성되며, 하측에 제2 전극층(205)이 형성된 부위는 돌출되는 형태로 단차를 갖게 된다. 따라서, 전술한 바와 같이 평탄화 테크닉(제2 평탄화 단계)을 통하여 상측에 위치하게 되는 센서 층의 표면을 균일하도록 한다(단계 7). 상기 제2 평탄화 단계 역시 제1 평탄화 단계에서 채택 가능한 폴리싱 방식, 구체적으로 CMP 공정을 이용할 수 있을 것이다. 그 결과, 평탄화된 제2 절연층(204')의 상측 표면 상에는 제2 전극층(205) 및 평탄화된 제3 절연층(206')이 균일한 두께(또는 높이)로 존재하며, 특히 제2 전극층(205)은 상측에 노출되어 있다.
그 다음, 제2 전극층(205) 및 평탄화된 제3 절연층(206') 상에 추후 스트레인 센서 구조를 형성하기 위한 희생층(sacrificial layer; 207)을 형성한다(단계 8). 이러한 희생층은, 이후의 공정에서 용이하게 제거 가능하도록, 예를 들면 무기질 재료, 구체적으로 SiO2(절연성 재료)로 형성될 수 있다.
택일적 구체예에 따르면, 전술한 포토레지스트, 폴리이미드, 파릴렌 등의 고분자 재료 역시 희생층 재질로 사용 가능하며, 다만 SiO2 재질과 비교하면, 제거 방식에 있어서 구별될 수 있다. 상기 희생층(207) 역시 전술한 바와 같이 증착(구체적으로 PVD(예를 들면, 스퍼터링 등), CVD(예를 들면, LPCVD, SACVD, APCVD 등), 또는 PECVD 공정) 또는 코팅(스핀 코팅, 딥-코팅, 닥터-블레이드, 스프레이 코팅 등) 방식에 의하여 형성될 수 있다. 희생층(207)의 두께는, 추후 형성되는 로드의 높이에 직접적인 영향을 미치는 요인으로서, 예를 들면 약 10 내지 50,000 nm, 구체적으로 약 100 내지 40,000 nm, 보다 구체적으로 약 5000 내지 35,000 nm 범위일 수 있다.
희생층(207) 형성 후, 수직 방향으로 제1 전극층(203) 및 제2 전극층(205)의 일 표면이 노출되도록 제1 및 제2 홀 또는 플러그 홀(208, 209)을 각각 형성한다(단계 9). 상기 단계는 스트레인 센서 구조의 형성을 위한 앵커(anchor) 공정에 해당되는 바, 예를 들면 건식 에칭(dry etching), 습식 에칭(wet etching) 등을 이용하여 홀을 형성할 수 있다. 상기 홀(208, 209)의 사이즈(또는 직경) 각각은, 후술하는 제1 로드 및 제2 로드의 사이즈(또는 직경)에 대응되는 바, 예를 들면 제1 홀(208)의 깊이는 약 10 nm 내지 760 ㎛(구체적으로 약 50 nm 내지 300 ㎛, 보다 구체적으로 약 100 nm 내지 10 ㎛) 범위일 수 있는 한편, 제2 홀(209)의 깊이는 약 10 nm 내지 760 ㎛(구체적으로 약 50 nm 내지 300 ㎛, 보다 구체적으로 약 100 nm 내지 10 ㎛) 범위일 수 있다. 또한, 제1 홀(208)과 제2 홀(209) 간의 거리는 이후 형성될 제1 로드와 제2 로드 간의 간격(또는 거리)에 대응될 것이다.
일 구체예에 따르면, 단계 9 이후에는, 제1 홀(208) 및 제2 홀(209)을 충진하면서 스트레인 센서 구조를 형성하는 단계가 수행된다. 다만, 이러한 스트레인 센서 구조 중 제1 로드(제1 홀(208)에 대응됨) 및 제2 로드(제2 홀(209)에 대응됨)에 도전성 또는 반도전성을 부여하는 방식에 따라, 도 5 및 도 6에 도시된 구체예로 각각 구분될 수 있다. 이하에서는 각각 "도핑 증착 방식" 및 "이온 주입 방식"으로 구분하여 설명한다.
(1) 도핑 증착 방식
도 4를 참조하면, 예를 들면 반도체 재료, 구체적으로 폴리실리콘, 고분자 등을 증착 또는 부착(도포)하면서 도판트를 혼입하는 방식으로 제1 및 제2 홀(208, 209)을 충진하면서 스트레인 센서의 프레임 구성층(210)을 형성한다(단계 10a). 이때, 희생층(207) 상에 형성되는 프레임 구성층(210)의 두께는, 예를 들면 약 10 내지 5,000 nm, 구체적으로 약 100 내지 2,000 nm, 보다 구체적으로 약 300 내지 1,000 nm 범위일 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, 이러한 스트레인 센서의 프레임 구성층(210)은, 예를 들면 증착(CVD)에 의하여 형성될 수 있고, 증착 과정 중 p-형 도판트 또는 n-형 도펀트를 사용하여 프레임 구성층(210)을 도핑할 수 있다. 이때, p-형 도판트의 대표적인 예는 붕소인 한편, n-형 도판트의 대표적인 예는 인을 들 수 있다. 구체적으로, 실란(SiH4) 또는 TEOS 가스에 도판트 가스로서 디보란(B2H6) 또는 포스핀(PH3)을 첨가(주입)하여 수행할 수 있는 바, 다만, 붕소계 도판트의 혼입은 일반적으로 증착율을 증가시키는 반면, 인계 도판트의 혼입은 증착율을 감소시키는 경향을 나타낼 수 있다. 한편, 프레임 구성층(210) 내 도판트의 농도는, 예를 들면 대략 약 5e19 at/cm3 내지 약 5e21 at/cm3, 구체적으로 약 1e10 at/cm3 내지 약 9e20 at/cm3 범위일 수 있다.
상기 프레임 구성층(210)의 형성 시 증착 공정은, 예를 들면 약 50 내지 900 ℃, 구체적으로 약 450 내지 800 ℃, 보다 구체적으로 약 600 내지 700℃ 범위의 온도 조건 하에서 수행될 수 있다.
이와 같이, 증착 과정 중 도판트를 혼입시킴으로써 프레임 구성층(210)은 도전성 또는 반도전성을 나타낼 수 있는 바, 이의 저항(resistance)은, 예를 들면 약 100 MΩ 이하, 구체적으로 약 1 MΩ 이하, 보다 구체적으로 약 5 kΩ 이하의 범위일 수 있다. 상술한 프레임 구성층(210)의 형성 후에는 최종 제조되는 스트레인 센서 구조 중 플레이트(213)의 사이즈에 따라 제1 전극층(203) 및 제2 전극층(205) 각각의 표면에 도달할 때까지 에칭을 수행할 수 있다(단계 11a). 따라서, 도시된 바와 같이, 바닥 전극에 상당하는 제1 전극층(203)까지 도달하기 위하여는 프레임 구성층(210), 희생층(207), 평탄화된 제3 절연층(206') 및 제2 평탄화된 절연층(204')까지 에칭이 수행될 수 있는 한편, 상측 전극에 상당하는 제2 전극층(205)까지 도달하기 위하여는 프레임 구성층(210) 및 희생층(207)까지 에칭이 수행될 수 있다. 그 결과, 스트레인 센서 구조, 구체적으로 플레이트(210')의 모서리 부근의 아래 공간, 그리고 제1 로드(211)와 제2 로드(212) 사이의 공간에는 여전히 잔여 희생층이 남게 된다.
택일적 구체예에 있어서, 필요에 따라서는 제1 전극층(203)까지 에칭하는 대신에 프레임 구성층(210) 및 희생층(207)까지만 에칭을 수행하여 추후 제1 로드(211) 및 제2 로드(212)가 같은 높이로 노출되도록 할 수도 있다.
상기 에칭 공정은, 예를 들면 건식 에칭 방식에 의하여 수행될 수 있는 바, 예를 들면 반응성 이온 에칭법(reactive ion etching; RIE), 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 에칭(inductively coupled plasma reactive ion etching; ICP-RIE), 화학적 이온 빔 에칭(chemically assisted ion beam etching; CAIBE) 등을 이용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 에칭 단계가 수행된 이후, 스트레인 센서의 감도를 높이기 위하여 센서 구조 내에 존재하는 잔여 희생층 영역(207')을 제거할 수 있다(단계 12a; release 단계).
에칭을 위하여, 전형적으로 습식 에칭(wet etching)을 이용할 수 있는 바, 예를 들면 희생층으로 SiO2 재질을 사용할 경우에는 희석된 HF(HF 수용액; 예를 들면 약 5 내지 100%, 구체적으로 약 40 내지 60%)를 사용하는 것이 유리할 수 있다. 상기 에칭 공정에 수반되는 반응은 하기 반응식 4와 같이 수행될 수 있다.
[반응식 4]
SiO2 + 6HF → H2SiF6 + 2H2O
또한, 에칭 속도를 일정하게 유지하기 위하여 불화암모늄과 같은 완충제(buffering agent)를 첨가하여 전체 공정 중 HF의 농도를 일정하게 유지할 수 있다. 예시적 구체예에 따르면, 선택적으로 HF/H2O 에칭액 내에 글리세롤을 첨가하여 에칭액으로 사용할 수도 있다.
이와 같이, 에칭 단계를 거칠 경우에는 센서 구조 내에 잔류하는 희생층 영역(207')만을 선택적으로 제거할 수 있어, 결과적으로 원하는 스트레인 센서 구조를 얻을 수 있다.
(2) 이온 주입 방식
도 6을 참조하면, 예를 들면 반도체 재료, 구체적으로 폴리실리콘 등을 증착하되, 전술한 도핑 방식과 달리 도판트를 혼입하지 않고 홀(208, 209)를 충진시키면서 스트레인 센서의 프레임 구성층(210'')을 형성한다(단계 10b). 이때, 프레임 구성층(210'')의 치수는 앞선 구체예와 실질적으로 동일하다.
또한, 프레임 구성층(210'') 형성을 위한 증착 공정은, 전형적으로 실란(SiH4) 가스를 전구체 소스로 사용하여 수행되며, 이때 증착 공정의 온도는, 예를 들면 약 400 내지 900 ℃, 구체적으로 약 450 내지 800 ℃, 보다 구체적으로 약 600 내지 700℃ 범위일 수 있다.
상술한 바와 같이 프레임 구성층(210'')의 형성이 완료되면, 앞서 설명한 구체예에서와 동일한 방식으로 에칭(특히, 건식 에칭)하는 단계(단계 11b) 및 스트레인 센서의 감도를 높이기 위한 희생층 영역(207')의 제거 단계(단계 12b; release 단계)가 수행될 수 있다.
상기 구체예에 따르면, 전술한 프레임 구성층(210'')의 전도성이 낮기 때문에 스트레인 센서 구조에 이온을 주입하여 도전성 또는 반도전성을 부여할 수 있다(단계 13). 즉, 도판트 이온을 이온 빔에 의해 프레임 구성층(210'') 내로 주입하는 것이다. 이온 주입을 위하여는, 도판트 원소를 이온화하여 수백 keV의 운동에너지로 가속시킨 다음, 스트레인 센서 구조를 향하도록 한다. 이러한 방식을 통하여 제1 로드(211), 제2 로드(212) 및 플레이트(213)에 전도성이 증가하게 되며, 전하 캐리어 밀도는 주입되는 불순물의 원자가에 따라 증가할 수 있다. 이와 관련하여, 주입되는 도판트의 경우, n-형 도판트로서, 예를 들면 안티몬, 비소 및 인을 사용할 수 있는 한편, p-형 도판트로서, 예를 들면 붕소를 사용할 수 있다. 이러한 이온 주입 방식의 경우, 도판트인 불순물을 량을 용이하게 조절할 수 있고, 도핑 프로파일을 보다 용이하게 재현할 수 있으며, 그리고 공정 온도를 낮출 수 있는 장점을 가질 수 있다.
한편, 예시적인 이온 주입 공정에 있어서, 예를 들면 약 1keV 내지 약 1.4MeV, 구체적으로 약 5 내지 20 keV의 에너지를 갖는 이온주입기(ion implanter)를 사용할 수 있다. 표면에 대하여 수직인 이온의 속도는 주입된 이온 분포의 투사 범위(projected range)에 의하여 결정되는 바, 만약 이온 주입 대상물이 이온 빔에 대하여 큰 각도로 기울어져 있는 경우에는 유효한 이온 에너지가 급격하게 감소할 수 있다. 따라서, 예시적 구체예에 따르면, 틸트 각(tilt angle)으로서, 예를 들면 약 7° 및 약 30°를 사용할 수 있을 것이다.
도판트 분포는 이온의 질량 및 주입되는 이온 에너지에 의하여 주로 결정되는데, 예시적 구체예에 있어서, 센서 구조 내에 도입되는 도판트의 농도는, 약 5e19 at/cm3 내지 약 5e21 at/cm3, 구체적으로 약 1e10 at/cm3 내지 약 9e20 at/cm3 범위일 수 있다.
이와 같이, 이온 주입된 스트레인 센서 구조는 도전성 또는 반도전성을 나타낼 수 있는 바, 이의 저항(resistance)은, 예를 들면 약 100 MΩ 이하, 구체적으로 약 1 MΩ 이하, 보다 구체적으로 약 5 kΩ 이하의 범위일 수 있다.
본 개시 내용의 일 구체예에 따르면, 기판 상에 복수의 스트레인 센서 구조가 형성되는 바, 이러한 스트레인 센싱 시스템은 다양한 용도, 예를 들면 변형, 하중, 압력, 진동, 변위, 비틀림 센서 등에 적용될 수 있다.
전술한 용도 중 대표적인 예는 미생물 및/또는 세포의 생장 또는 거동을 모니터링하는 것을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 도 6은 본 개시 내용의 일 구체예에 있어서, 스트레인 센싱 시스템을 이용하여 세포의 거동을 모니터링하는 원리를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도시된 구체예에 따르면, 스트레인 센싱 시스템(300) 중 복수의 스트레인 센서 구조 의 플레이트 상에 세포(301)가 부착되거나 지지된다. 통상적으로 세포 및 MEMS 기술은 유사한 스케일을 갖고 있으며, 세포는 인공 표면 상에서도 생존할 수 있다. 이와 같이 부착 또는 지지된 세포(301)는 생장 또는 대사 작용을 하면서 생장 변화에 따라 상호 마주보는 방향으로 견인력(traction)을 작용할 경우, 하측에 부착되어 있는 스트레인 센서 구조, 특히 스트레인 센서 구조 중 제1 로드 및 제2 로드가 견인력에 의하여 변형되며 이의 전기적 특성(예를 들면, 저항 값)이 변화하게 된다. 이때, 측정된 전기적 특성 값(또는 전기적 신호)의 변화를 모니터링하여 분석함으로써 세포 거동에 의하여 유래되는 스트레인을 구할 수 있고, 이는 세포의 생장 또는 거동에 대한 정보를 제공할 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (23)

  1. 기판 상에 배열된 복수의 스트레인 센서 구조의 어레이를 포함하며,
    여기서, 상기 스트레인 센서 구조는,
    상기 기판 상에 위치하는 제1 전극 층;
    상기 기판 상에 위치하며 상기 제1 전극 층과 공간적으로 분리 형성되어 있는 제2 전극 층;
    상기 제1 전극 층 및 상기 제2 전극 층 각각에 전기적으로 접촉하고, 변형 가능하여 저항의 변화를 유도하는 도전성 또는 반도전성의 적어도 하나의 제1 로드 및 적어도 하나의 제2 로드; 및
    상기 적어도 하나의 제1 로드 및 상기 적어도 하나의 제2 로드 각각의 상측 면에 의하여 지지되거나 상기 적어도 하나의 제1 로드 및 상기 적어도 하나의 제2 로드 각각의 상측 면과 일체화되어 있고, 외부 힘 또는 압력에 의하여 하측에 위치하는 적어도 하나의 제1 로드 및 적어도 하나의 제2 로드가 변형되도록 외부 힘 또는 압력의 작용 면을 제공하는 플레이트;
    를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 제1 로드 및 상기 적어도 하나의 제2 로드는 각각 도판트를 함유하며, 이때 도판트의 농도는 5e19 at/㎤ 내지 5e21 at/㎤ 범위인 스트레인 센싱 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기판은 실리콘 기판, 석영 기판, 글래스 기판, 또는 세라믹 기판인 것을 특징으로 하는 스트레인 센싱 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층은 각각 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 텅스텐(W) 또는 이의 조합(또는 합금) 재질인 것을 특징으로 하는 스트레인 센싱 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극 층 및 상기 제2 전극 층은 절연층에 의하여 서로 절연되어 있는 것을 특징으로 하는 스트레인 센싱 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 절연층은 SiO2, 포토레지스트, 폴리이미드, 파릴렌, 및 질화규소(Si3N4) 재료로부터 선택되며, 이들 재료를 단독으로 또는 조합하여 이루어진 것을 특징으로 하는 스트레인 센싱 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 기판 상과 제1 전극 층 사이에 절연층으로서 SiO2 층이 개재되며, 상기 개재되는 절연층의 두께는 50 내지 5000 nm 범위인 것을 특징으로 하는 스트레인 센싱 시스템.
  7. 제4항에 있어서, 상기 제1 전극 층과 상기 절연층 사이, 그리고 상기 제2 전극 층과 상기 절연층 사이에 개재된 중간층을 더 포함하고, 상기 중간층은 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 스칸듐(Sc), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo) 또는 이의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 스트레인 센싱 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 전극 층 및 상기 제2 전극 층 각각의 두께는 10 nm 내지 2 ㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 스트레인 센싱 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 로드 및 상기 적어도 하나의 제2 로드 각각의 저항(resistance)은 100 MΩ 이하인 것을 특징으로 하는 스트레인 센싱 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 로드 및 상기 적어도 하나의 제2 로드 각각의 단면 사이즈(직경)는 1 nm 내지 50 ㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 스트레인 센싱 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 로드 및 상기 적어도 하나의 제2 로드 각각의 길이는 10 nm 내지 760 ㎛ 범위이고, 상기 제1 로드 및 상기 제2 로드 각각의 종횡비는 100:1 내지 5:1 범위인 것을 특징으로 하는 스트레인 센싱 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 플레이트의 사이즈 및 두께는 10 nm 내지 100 ㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 스트레인 센싱 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 로드 및 상기 적어도 하나의 제2 로드는 도핑된 폴리실리콘 재질인 것을 특징으로 하는 스트레인 센싱 시스템.
  14. a) 기판 표면에 제1 절연층을 형성하는 단계;
    b) 상기 기판 상에 형성된 제1 절연층의 표면의 일부 영역에 제1 전극 층을 형성하는 단계;
    c) 상기 제1 전극 층이 형성된 표면 상에 제2 절연층을 형성한 후에 평탄화하는 단계, 여기서 상기 제1 전극 층은 상기 평탄화된 제2 절연층 내에 매립됨;
    d) 평면 상으로 상기 제1 전극층과 겹치지 않고 일정 간격을 유지하면서 제2 절연층 상의 일부 영역에 제2 전극 층을 형성하는 단계;
    e) 상기 제2 전극 층이 형성된 표면 상에 제3 절연층을 형성한 후에 평탄화하는 단계, 여기서 상기 평탄화된 제3 절연층은 상기 제2 절연층의 표면 중 상기 제2 전극 층 이외의 영역에 형성됨;
    f) 상기 제2 전극 층 및 상기 제3 절연층을 포함하는 표면 상에 희생층을 형성하는 단계;
    g) 상기 제1 전극 층의 표면 및 상기 제2 전극 층의 표면 각각에 도달하는 적어도 하나의 제1 홀 및 적어도 하나의 제2 홀을 형성하는 단계;
    h) 상기 적어도 하나의 제1 홀 및 상기 적어도 하나의 제2 홀을 채우면서 도전성 또는 반도전성 재료의 층을 형성하는 단계, 여기서 상기 적어도 하나의 제1 홀 및 상기 적어도 하나의 제2 홀에 대응하면서 채워진 도전성 또는 반도전성 재료는 적어도 하나의 제1 로드 및 적어도 하나의 제2 로드를 형성함;
    i) 상기 도전성 또는 반도전성 재료 층을 에칭하여, 상기 적어도 하나의 제1 로드 및 상기 적어도 하나의 제2 로드 상에 플레이트가 형성된 구조를 얻는 단계; 및
    j) 상기 단계 i)로부터 형성된 구조 내에 남아 있는 희생층 재료를 제거하여 상기 적어도 하나의 제1 로드 및 상기 적어도 하나의 제2 로드 각각의 길이 방향 일부를 노출시키는 단계;
    를 포함하는, 기판 상에 배열된 복수의 스트레인 센서 구조를 포함하는 스트레인 센싱 시스템의 제조 방법.
  15. a') 기판 표면에 제1 절연층을 형성하는 단계;
    b') 상기 기판 상에 형성된 제1 절연층의 표면의 일부 영역에 제1 전극 층을 형성하는 단계;
    c') 상기 제1 전극 층이 형성된 표면 상에 제2 절연층을 형성하는 단계, 여기서 상기 제1 전극 층은 상기 제2 절연층 내에 매립됨;
    d') 평면 상으로 상기 제1 전극층과 겹치지 않고 일정 간격을 유지하면서 제2 절연층 상의 일부 영역에 제2 전극 층을 형성하는 단계;
    e') 상기 제2 절연층의 표면 중 상기 제2 전극 층 이외의 영역에 제3 절연층을 형성하는 단계;
    f') 상기 제2 전극 층 및 상기 제3 절연층을 포함하는 표면 상에 희생층을 형성하는 단계;
    g') 상기 제1 전극 층의 표면 및 상기 제2 전극 층의 표면 각각에 도달하는 적어도 하나의 제1 홀 및 적어도 하나의 제2 홀을 형성하는 단계;
    h') 상기 적어도 하나의 제1 홀 및 상기 적어도 하나의 제2 홀을 채우면서 비도전성 재료의 층을 형성하는 단계, 여기서 상기 적어도 하나의 제1 홀 및 상기 적어도 하나의 제2 홀에 대응하면서 채워진 비도전성 재료는 적어도 하나의 제1 로드 및 적어도 하나의 제2 로드를 형성함;
    i') 상기 비도전성 재료 층을 에칭하여, 상기 적어도 하나의 제1 로드 및 상기 적어도 하나의 제2 로드 상에 플레이트가 형성된 구조를 얻는 단계;
    j') 상기 단계 i')로부터 형성된 구조 내에 남아 있는 희생층 재료를 제거하여 상기 적어도 하나의 제1 로드 및 상기 적어도 하나의 제2 로드 각각의 길이 방향 일부를 노출시키는 단계; 및
    k') 상기 적어도 하나의 제1 로드 및 상기 적어도 하나의 제2 로드, 그리고 상기 플레이트에 대하여 이온주입을 통하여 도전성 또는 반도전성을 부여하는 단계;
    를 포함하는, 기판 상에 배열된 복수의 스트레인 센서 구조를 포함하는 스트레인 센싱 시스템의 제조 방법.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 제1 절연층의 두께는 100 내지 1000 nm 범위인 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 기판 및 상기 제1 절연층은 각각 실리콘 재질 및 SiO2 재질이며,
    여기서, 제1 절연층은 (i) 실리콘 기판의 열 산화 또는 (ii) SiO2의 증착에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 제2 절연층 및 상기 제3 절연층 중 적어도 하나는 (i) SiO2 재질 또는 (ii) 포토레지스트, 폴리이미드 또는 파릴렌의 고분자 재질인 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 삭제
  20. 제15항에 있어서, 상기 단계 c') 이후에 제2 절연층을 평탄화하는 단계, 그리고 상기 단계 e') 이후에 제3 절연층을 평탄화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 희생층은 SiO2 재질로서, 10 내지 50,000 nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제14항에 있어서, 상기 단계 h)는 도핑 증착 방식에 의하여 수행되며,
    여기서 도판트의 농도는 5e19 at/cm3 내지 5e21 at/cm3 범위이고, 증착 온도는 50 내지 900 ℃ 범위인 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 스트레인 센싱 시스템을 이용하여 미생물 및 세포 중 적어도 하나의 거동을 모니터링하는 방법으로서,
    상기 스트레인 센싱 시스템은 기판 상에 배열된 복수의 스트레인 센서 구조를 포함하며,
    여기서, 상기 스트레인 센서 구조는,
    상기 기판 상에 위치하는 제1 전극 층;
    상기 기판 상에 위치하며 상기 제1 전극 층과 공간적으로 분리 형성되어 있는 제2 전극 층;
    상기 제1 전극 층 및 상기 제2 전극 층 각각에 전기적으로 접촉하고, 변형 가능하여 저항의 변화를 유도하는 도전성 또는 반도전성의 적어도 하나의 제1 로드 및 적어도 하나의 제2 로드, 여기서 상기 적어도 하나의 제1 로드 및 상기 적어도 하나의 제2 로드는 각각 도판트를 함유하며, 이때 도판트의 농도는 5e19 at/㎤ 내지 5e21 at/㎤ 범위임; 및
    상기 적어도 하나의 제1 로드 및 상기 적어도 하나의 제2 로드 각각의 상측 면에 의하여 지지되거나 상기 적어도 하나의 제1 로드 및 상기 적어도 하나의 제2 로드 각각의 상측 면과 일체화되어 있고, 외부 힘 또는 압력에 의하여 하측에 위치하는 적어도 하나의 제1 로드 및 적어도 하나의 제2 로드가 변형되도록 외부 힘 또는 압력의 작용 면을 제공하는 플레이트;
    를 포함하며,
    상기 미생물 및 세포 중 적어도 하나는 플레이트 상에 위치하여 이의 거동에 따른 힘 또는 압력을 상기 플레이트에 작용하도록 하고, 상기 작용된 힘 또는 압력이 상기 스트레인 센서 구조 중 상기 적어도 하나의 제1 로드 및 상기 적어도 하나의 제2 로드를 변형시켜 이의 전기적 특성을 변화시키며, 그리고 상기 변화된 전기적 특성을 측정하여 분석함으로써 미생물 및 세포 중 적어도 하나의 거동을 모니터링하는 방법.
KR1020160057040A 2016-05-10 2016-05-10 스트레인 센서 및 이의 제조방법 KR101885766B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160057040A KR101885766B1 (ko) 2016-05-10 2016-05-10 스트레인 센서 및 이의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160057040A KR101885766B1 (ko) 2016-05-10 2016-05-10 스트레인 센서 및 이의 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170126682A KR20170126682A (ko) 2017-11-20
KR101885766B1 true KR101885766B1 (ko) 2018-08-06

Family

ID=60809082

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160057040A KR101885766B1 (ko) 2016-05-10 2016-05-10 스트레인 센서 및 이의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101885766B1 (ko)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102052250B1 (ko) * 2017-11-28 2019-12-04 전자부품연구원 3d 프린팅 기술을 이용한 스트레인 게이지의 제조방법
KR102060579B1 (ko) * 2018-01-03 2020-02-11 한국과학기술원 종이 기반의 플렉서블 이온 센서 및 이의 제조방법
KR102080855B1 (ko) * 2018-05-14 2020-02-24 재단법인 멀티스케일 에너지시스템 연구단 중간층이 개재된 금속 박막을 이용한 크랙 기반 고감도 인장 센서
KR102571737B1 (ko) * 2020-12-24 2023-08-30 한국전자기술연구원 프린팅 기술을 이용한 센서, 이를 포함하는 구조체 및 이의 제조방법
KR20230148017A (ko) * 2022-04-15 2023-10-24 한국재료연구원 암세포 전이특성 평가용 소자 및 암세포 전이특성 평가 방법

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08236622A (ja) * 1995-02-28 1996-09-13 Texas Instr Japan Ltd 半導体装置及びその製造方法
KR100778555B1 (ko) * 2006-04-10 2007-11-28 전남대학교산학협력단 산화아연 나노막대 어레이 센서의 제조방법
KR101578804B1 (ko) * 2014-05-30 2016-07-21 한국과학기술원 스트레인 센서를 이용한 세포 모니터링 방법, 이를 이용한 세포 모니터링 장치 및 그 활용

Also Published As

Publication number Publication date
KR20170126682A (ko) 2017-11-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101885766B1 (ko) 스트레인 센서 및 이의 제조방법
US7449758B2 (en) Polymeric piezoresistive sensors
KR101451697B1 (ko) 표면 응력 센서
JP4453587B2 (ja) 加速度センサ
US11228294B2 (en) Graphene microelectromechanical system (MEMS) resonant gas sensor
US5739425A (en) Cantilever with integrated deflection sensor
KR100449069B1 (ko) 미소전극, 미소전극 어레이 및 미소전극 제조 방법
US8293556B2 (en) Fabricating method for micro gas sensor and the same
US20170113928A1 (en) Device and method for producing a device comprising micro or nanostructures
KR20180002519A (ko) 초소형 기계 구조체 및 그의 제조 방법
US8359928B2 (en) Pressure sensor and method for manufacturing the pressure sensor
JPH0666663A (ja) 微小センサおよびその製法
US10458865B2 (en) Multi-axis piezoresistive force sensor
US20120068156A1 (en) InN Nanowire Based Multifunctional Nanocantilever Sensors
CN106018879B (zh) 一种mems加速度传感器及制造方法
US7955883B2 (en) Polymer replicated interdigitated electrode array for (bio) sensing applications
JP2024036487A (ja) 微小電気機械システム構造及びそれらの応用
KR101610441B1 (ko) 마이크로 탐침 어레이 및 이의 제조방법
JP4196025B2 (ja) バイオセンサーマトリックスおよびその製造方法
EP2801831B1 (en) Vertical embedded sensor and process of manufacturing thereof
US10707405B2 (en) Electromechanical actuator
JP2007292618A (ja) 変形量測定装置およびその製造方法
JP4310997B2 (ja) 半導体物理量センサ
EP4332053A1 (en) Arrangement of carbon nanotubes and a method for manufacturing the arrangement
KR100441488B1 (ko) 마이크로 구조물의 잔류응력 테스트 패턴 및 그 제조방법 그리고 상기 패턴을 이용한 잔류응력 측정방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant