KR20030013130A - 고감도 초소형 캔틸레버 센서 및 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기능성 박막을 이용한 고감도 초소형 캔틸레버 센서 제조 방법에 관한 것으로, 압전막을 구동막으로 형성한 후, 구동 전계의 인가로 인해 구동막으로부터 발생하는 전기적인 신호를 측정하도록 하여 시스템의 크기를 대폭 줄이고, 켄틸레버에 구동층과 센싱층을 형성하여 구동과 센싱이 동시에 이루어지도록 함으로써 빠른 응답 속도를 제공한다.

또한, 본 발명의 센서를 용도에 맞게 적당한 감지막을 적용하여, 고감도 습도 센서, Force 센서, 고감도 가스 센서, 그리고 수피코 그램부터 수 마이크로 그램의 생체물질을 감지하는 바이오 센서로도 응용이 가능하다. 아울러 캔틸레버 상부와 하부에 형성된 압전 박,후막을 이용한 바이모르프 형태의 액츄에이터로서 모노모르프 때 보다 변위 및 변위력이 커 우수한 액츄에이터로 활용이 가능하다.

Description

고감도 초소형 캔틸레버 센서 및 제조 방법{HIGH SENSITIVE CANTILEVER SENSOR AND METHOD FOR FABRICATION THEREOF}

본 발명은 기능성 박막을 이용한 센서에 관한 것으로, 시스템의 크기를 대폭 줄이고, 고감도의 센서를 구현하기 위한 고감도 초소형 캔틸레버 센서 및 제조 방법에 관한 것이다.

최근 전기와 기계부품을 초소형으로 일체화시키는 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 공정을 기반으로한 소형화된 센서들은 빠른 응답과 높은 감도, 그리고 대량생산에 적당하기 때문에 관심의 대상이 되고 있다.

MEMS 구조는 증착과 식각등의 과정을 반복하는 반도체 미세 공정 기술을 적용하여 저렴한 비용으로 초소형 제품의 대량생산을 가능하게 하고, 구동력은 전하간에 서로 당기는 힘인 정전기력(Electrostatic Force), 자성력, 열팽창차이에 의한 구동력 등을 이용해 작동되고 초소형으로서 전력소비량도 크게 낮출 수 있어, 나노 및 시스템온칩(SOC)기술의 등장과 함께 중요성이 날로 부각되고 있다.

최근에는 물리적인 현상이나 또는 화학적 반응의 감지를 위하여 이들 MEMS 공정에 의하여 제조된 캔틸레버를 기초로 하는 센서들의 개발에 많은 연구들이 활발하게 진행되고있다.

종래 대부분의 캔틸레버 센서들은 캔틸레버가 열이나 혹은 질량(mass)의 변화 등에 의한 정적인 휨(static deflection)이나 혹은 공진 주파수 변화의 감지를 레이저와 같은 광원을 이용하여 측정이 이루어지고 있다. 그러나, 레이저와 같은광원을 이용한 종래의 센서는 광원이 구성되어야 함으로 센서의 크기를 줄이는데 한계가 있다.

도 1에 광원을 이용한 종래의 캔틸레버 센서에 관하여 나타낸 것이다.

캔틸레버 센서의 구동부(11)에서 감지물질(12)의 열이나 혹은 질량등의 변화에 의한 정적인 휨이나 혹은 공진 주파수의 변화를 감지하게 되면 레이저와 같은 광원(13)을 이용하여 구동부에서 감지한 센싱 신호를 포커싱하여 위치인식 다이오드(sensing position diode)(14)로 집광 시킴으로써 모든 센싱이 이루어진다.

종래의 센서는 구동부에서 발생하는 신호를 광 신호 변환시키기 위한 레이저와 같은 광원(13)이나 광을 집광 시키기 위한 위치인식 다이오드(14)와 같은 디텍터(detector)가 구성되어 있어야 함으로 센싱 시스템의 크기를 줄이는데 어려움이 있다.

본 발명은 캔틸레버를 이용한 센싱 시스템의 크기를 대폭 줄이기 위하여 광 신호 대신에 전기적인 신호를 감지하도록 센서를 구성하였다.

캔틸레버 센서의 구동부와 센싱부에 PZT계열이나 ZnO와 같은 압전성이 높은 물질을 이용하여 압전막을 형성한 다음, 상기의 압전막에 구동 전계을 인가하여 압전막으로부터 발생하는 공진 주파수를 측정함으로써 광 신호 대신 센싱 신호를 측정하도록 하였다.

또한, 캔틸레버 센서의 제조 공정에 있어서 균일한 멤브레인을 형성하는 공정을 통하여, 균일한 센싱이 이루어지도록 하고, 구동막이 형성된 면의 반대면에 센싱이 가능한 방법 예를 들면 압저항막 또는 또 다른 압전막을 이용한 바이모르프형태의 압전막을 형성하여 센싱이 가능하도록 하여 센싱 특성을 향상시켰다. 이러한 바이모르프 형태의 구조는 종래의 한쪽 면에만 압전막이 있는 모노모르프 형태보다 큰 힘을 낼 수 있어 다양한 액츄에이터나 혹은 센서에 활용 가능하다.

본 발명의 목적은 캔틸레버 센서가 광 신호 대신 전기적 신호를 감지하도록 하여 시스템의 크기를 대폭 줄이는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 캔틸레버 센서 제조시 일정한 두께의 캔틸레버를 제조하는 공정을 통해 균일한 두께의 멤브레인을 형성하여 균일한 센싱 특성을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 캔틸레버 센서의 캔틸레버에 구동막과 센싱막을 같이 형성하여 구동과 센싱이 동시에 이루어지도록 함으로써, 센싱의 응답속도를 향상시키는데 있다.

기타 본 발명의 목적 및 특징은 이하의 발명의 구성 및 특허청구범위에서 상세히 기술될 것이다.

도 1은 종래 캔틸레버 센서의 전체적인 구성의 개략도를 나타낸 것이다.

도 2는 SOI 기판에 형성된 압전셀을 나타낸 것이다.

도 3은 캐비티가 형성된 하부 기판을 나타낸 것이다.

도 4는 압전셀이 형성된 SOI기판과 캐비티가 형성된 기판을 붙여놓은 것을 나타낸 것이다.

도 5는 식각 정지막이 있는 부분까지 실리콘을 제거하여 원하는 두께의 멤브레인을 형성한 것을 나타낸 것이다.

도 6은 도 5의 맴브레인 위에 센싱을 담당하는 압전셀을 형성한 것을 나타낸 것이다.

도 7은 캔틸레버 상부에 프루브를 입힌 후 생체 물질을 부착한 모습을 나타낸 것이다.

도 8은 압저항 방식으로 구동하는 캔틸레버 센서 구조의 단면도를 나타낸 것이다.

도 9는 압저항 방식으로 구동하는 캔틸레버 센서 구조의 위에서 본 평면도를 나타낸 것이다.

도 10은 캐패시티브 방식으로 구동하는 캔틸레버 센서의 구조를 나타낸 것이다.

도 11는 n+ 실리콘층을 식각 정지막으로 이용하여 형성한 압전셀을 포함하는 상부기판을 나타낸 것이다.

도 12는 압전셀이 형성된 n+ 실리콘층이 식각 정지막로 형성된 상부 기판과 캐비티가 형성된 하부 기판을 붙여 놓은 것을 나타낸 것이다.

도 13은 도 12의 맴브레인 위에 센싱을 담당하기 위한 압전셀이 형성된 것을 나타낸 것이다.

도 14은 도 12의 소자위에 생체 프루브를 입힌 것을 나타낸 것이다.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

11:캔틸레버 13:광원

14:디텍터 21:SOI 기판

22:식각 정지막 24:열산화막

26:압전막 34:캐비티

71:골드막 72:생체프루브

81:스트레인 센서

본 발명은 캔틸레버 센서에 관한 것으로, 상세하게는 고감도 초소형 센서를 구현하기 위한 캔틸레버 센서 및 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명의 고감도 초소형 캔틸레버 센서에 있어서 캔틸레버의 상부와 하부면에 압전막과 상기 압전막의 상, 하부면에 입혀진 전극으로 이루어진 압전셀로 형성된 상부기판과. 상부면에 일정한 캐비티가 형성된 하부 기판을 합착한 형태를 가진다.

이하, 본 발명의 여러 가지 실시 형태와 제조 방법에 대해 도면을 이용하여 상세히 설명한다.

도 2는 상기 캔틸레버의 하부면에 압전셀이 형성된 상부 기판을 나타낸 것이다.

준비된 SOI(silicon on insulator) 기판(21)의 상부면과 하부면에 전극이 잘 올라갈 수 있도록 열산화막(24)을 입힌다. 상기 열산화막(24)위에 구동막을 구동시키기 위한 전계를 인가할 수 있도록 하부 전극(25)을 열 증착(thermal evaporation)이나 E-빔 증착 방법, 혹은 CVD 방법과 같은 일반적인 방법을 이용하여 증착 시킨다. 이 후, 상기의 형성된 캔틸레버의 하부전극(25) 위에 PZT 계열이나 ZnO와 같이 압전 특성이 우수한 물질로 이루어진 구동막(26)을 형성한다. 상기의 구동막(26)의 두께는 캔틸레버의 두께에 따라 박막부터 후박까지 다양하게 적용될 수 있다.

구동막을 박막으로 적용할 경우에는 스퍼터링이(sputtering)나 혹은 통상적인 CVD를 통해 구동막을 증착 할 수 있으며, 구동막을 후막으로 적용할 경우에는 스크린 프린팅(screen printing)이나 혹은 통상적인 CVD방법도 가능하다.

상기의 방법으로 형성된 구동막(26)위에 하부전극을 증착하는 방법과 동일한 방법을 이용하여 상부 전극(27)을 증착 한 후, 소자의 보호나 혹은 타 용액들과의 접촉을 피하기 위해 실리콘 산화막(SiO₂)이나 혹은 실리콘 질화막(SiN_X)이나 혹은 실리콘 탄화막(SiC)같은 보호막을 입힐 수도 있다. 이 때 구동막(26)의 상·하부에형성되는 상부 전극(27)이나 하부 전극(25)은 백금이나 혹은 전도성 산화물로 널리 알려진 RuO₂, SrRuO₃와 같은 산화물 전극도 가능하다.

다음은 도 3에 도시한 바와 같이, 마이크로 머시닝이 가능한 실리콘 기판(100)(32)을 식각 용액으로부터 실리콘 기판을 보호하기 위해 실리콘 질화막(31,33)과 같은 보호막을 입힌 후, 상기의 실리콘 기판 상부에 형성된 실리콘 질화막의 중간부분을 일부분 제거하여 일정한 두께의 케비티(34)가 형성된 하부 기판을 만든다.

실리콘 기판 대신 유리 기판을 이용하여 케비티가 형성된 하부 기판을 만드는 것도 가능하다.

일정한 두께의 케비티(34)가 형성된 하부 기판을 도 2에 도시한 캔틸레버 센서의 상부 기판과 합착 시키게 되면 도 4와 같은 형태의 소자를 얻을 수 있다. 구동막과 전극을 포함하는 상부 기판(도 2)과 상부에 캐비티(34)가 형성된 하부 기판(도 3)을 붙일 때는 SDB(silicon direct bondig)방법이나 에너딕(anodic)방법 혹은 에폭시(epoxy)를 이용할 수 있다.

이 후, SOI 기판 상부면에 하부 전극의 접착력을 향상시키기 위해 입힌 열산화막(24)을 제거하고 실리콘(100)(21)층을 실리콘 산화막으로 이루어진 식각 정지막(22)이 노출될때까지 제거하게 되면 도 5과 같은 형태의 균일한 두께의 멤브레인이 형성된 소자가 형성된다. 상기 식각 정지막으로는 실리콘 산화막대신 저응력 실리콘 질화막을 적용할 수도 있다.

상부 기판의 실리콘(100)(21)층을 식각 할때에는 KOH나 혹은 TMAH와 같은 식각 용액 내에서 실리콘을 제거하는 전기 화학 식각 방법이나 딥 트렌치 반응성 이온 식각 방법과 같은 건식 식각 방법이 이용된다.

상기 멤브레인 위에 다시 하부전극(61)과, 상기 하부전극 위에 압전막(62)과, 상기 압전막(62) 위에 상부 전극(63)을 형성하고 패터닝함으로써 도 6과 같은 완성된 소자를 얻게 된다. 이 때 상기 압전막(62)은 캔틸레버 하부에 형성된 압전막(26)과 동일하게 박막과 후막이 모두 가능하며, 상기 압전막(62)은 캔틸레버의 두께에 따라 열 충격에 의해서 부러지는 것을 방지하기 위하여 RTA(rapid thermal annealing)나 혹은 기존이 전기로를 이용한 열처리가 이루어진다.

상기 소자(도 6)의 상부면에 생체 프루브가 잘 붙게 하기 위해서 골드(Au)막(71)을 입히고, 생체 프루브(72)를 형성하게 되면 도 7과 같은 수피코 그램부터 수 마이크로 그램의 생체물질을 감지하는 고감도 초소형 바이오 센서를 얻을 수 있다.

상기와 같은 방법으로 제작된 캔틸레버 센서는 우선 무게 변화를 감지할 수 있는 곳에 적용이 가능하며, 캔틸레버에 감지하려는 물질이나, 혹은 방법에 따라 적합한 감지막을 증착하여 여러 가지 다른 기능을 가진 센서로도 응용이 가능하다. 상기 캔틸레버 위에 습기를 흡수하는 감지막을 적용할 경우 습도 센서로, 머큐리를 흡착할수 있는 감지막을 증착할 경우 머큐리감지 센서로, 그리고 각종 가스를 흡착 할 수 있는 감지막을 이용할 경우 고감도 가스센서로 응용이 가능하다. 아울러 도 7에 도시한 바와 같이 표면에 특정한 생체물질과 특이적으로 반응하는 감지물질을 이용하여 수피코 그램부터 수 마이크로 그램의 생체물질을 감지하는 바이오칩으로도 응용이 가능하다. 또한 캔틸레버 상,하부에 바이모르프 형태로 만들어진 압전박,후막 셀을 적당한 크기로 폴링하여 동시에 구동을 하면 모노포르프 형태의 액츄에이터 보다 변위 및 변형력이 커 광 스위치나 혹은 다양한 액츄에이터에 응용가능하다.

구동과 센싱은 캔틸레버의 하부에 형성되어있는 압전셀의 공진 주파수에 해당하는 전계를 인가해서 구동을 시키면 센싱을 담당하는 캔틸레버의 상부에 형성된 압전셀이 공진 주파수에 해당하는 전하를 방출하게 되고 상기의 방출된 전하를 감지하게 된다. 이 때 감지막 위에 감지하려는 물질이 붙게 되면 미세한 질량의 변화에 의해서 구동 압전셀의 공진 주파수가 변하게 되고 감지셀이 이 공진 주파수의 차이로 인해 방출되는 전하의 차이에 해당하는 신호를 감지함으로써 센싱이 이루어진다. 센싱과 구동은 상기 캔틸레버의 어느쪽을 이용하여도 무방하다.

센싱 방식은 앞서 실시 예의 압전 방식 외에 도 8내지 도 9에 도시한 바와 같이 캔틸레버 상부면에 압저항막(81)을 이용한 스트레인 센서를 형성하여 압전막(62)을 이용한 구동과 동시에 압저항막(81)으로부터 센싱하는 압저항 방식도 가능하다.

도 9는 압저항막을 이용한 캔틸레버 센서의 단면도이고, 도 9는 위에서 본 압저항막을 이용한 캔틸레버의 위에서 본 평면도이다.

구동 방식은 앞서 실시 예의 압전방식 이외에 도 10에 도시한 바와 같이 캔틸레버의 아래쪽에 위치한 면에 구동에 필요한 전극(101)을 형성하고 하부기판에 형성된 캐비티 바닥에 형성한 다른 전극(102) 사이에 특정한 주파수를 가지고 진동하도록 전극(101,102)사이에 구동 전계를 인가하여 캔틸레버가 캐비티(34)를 사이에 두고 구동하면서 캔틸레버 상부에 위치한 압전막이나 혹은 압저항막을 이용하여 감지하는 캐패시티브 방식도 가능하다.

또 다른 실시 예로, 상부기판의 식각 정지막으로 이전 실시 예에서 사용한 SOI 기판의 산화 실리콘층 대신 n 도핑이 많이 이루어진 n+ 실리콘층을 이용할 수도 있다.

이하 도면을 참조하여 n+ 실리콘층을 식각 정지막으로 이용한 실시예에 관하여 상세히 설명한다.

도 11에 도시한 바와 같이, 이전의 실시 예에서와 같이 p형 실리콘 기판(112)에 n+ 도핑된 실리콘층(111)이 원하는 멤브레인 두께만큼 입혀진 p형 실리콘 기판의 하부면에 하부 전극의 접착력을 향상시키기 위해서 열 산화막이나 혹은 저 응력 질화막을 입힌 후, 이전 실시 예와 동일한 공정과정을 통하여 상·하부 전극(25, 27)과 압전막(26)을 포함하는 압전셀을 형성함으로써, 캔틸레버 센서의 상부 기판을 만들 수 있다.

상기의 상부 기판과 캐비티(34)가 형성된 다른 실리콘 기판을 붙여 도 12에 도시한 바와 같은 형태의 소자를 형성한다. 이 후 상부 기판 상부에 입혀진 열산화막이나 질화막을 제거하고 TMAH나 KOH 등의 식각용액을 이용한 전기화학 식각 방법이나 딥 트렌치 반응선 이온 식각과 같은 건식 식각 방법을 통해 p형 실리콘(112)막을 제거하면 도 13과 같은 형태의 균일한 두께의 멤브레인이 형성된 소자를 얻을 수가 있다. 이 후, 상기 맴브레인의 상부면에 전극의 접착력을 향상시키기 위하여 열산화막(24)을 입히고 하부 전극(61)과, 상기 하부 전극(61) 위에 압전막(62)과, 상기 압전막(62) 위에 상부전극(63)을 형성하여 캔틸레버의 하부면에 형성된 압전셀과 일한 압전셀을 캔틸레버의 상부면에 형성하게 되면 도 14와 같이 완성된 소자를 얻을 수 있다.

상기의 하부 기판에 대하여 실리콘 기판대신 유리 기판을 사용할 수도 있다.

도 15에 나타낸 것은, 도 8과 같이 도 14의 완성된 소자 위에 생체 물질이 달라붙기 쉽도록 하기 위해 골드(Au)막(71)을 입힌 후, 생체 프루브(72)를 형성하게 되면 생체물질을 감지할 수 있는 고감도 초소형 바이오 센서가 된다.

구동과 센싱 역시 앞서의 도 6에 도시된 실시 예와 동일하게 적용된다.

센싱은 압전 방식과 압저항 방식이 모두 가능하며, 구동은 압전 방식과 캐패시티브 구동 방식을 선택하여 적용할수 있다.

앞서 실시 예와 마찬가지로 캔틸레버의 상부면과 하부면에 구동막과 센싱막을 이 동시에 형성되어, 빠른 센싱의 응답속도를 얻을 수 있다.

본 발명은 고감도 초소형 캔틸레버 센서 및 제조 방법에 관한 것으로, 전기적인 신호의 감지를 통하여 시스템의 크기를 대폭 줄여 대량 생산에 용이하게 하고 구동과 센싱이 동시에 이루어지도록 하여 빠른 센싱의 응답속도를 제공한다.

또한, 응용하고자 하는 감지막의 적용에 따라 감도 습도 센서, 머큐리 감지 센서, 고감도 가스 센서, 그리고 수피코 그램부터 수 마이크로 그램의 생체물질을 감지하는 바이오 센서로도 응용이 가능하다.

또한, 바이모르프 형태의 압전셀을 이용하여 종래의 모노포르프 형태의 박막이나 후막 액츄에이터에 비하여 변위 및 구동력이 커 이들 특성을 응용한 소자 즉, 광 스위치 같은 다양한 소자에 응용 가능하다.

Claims (19)

1. 캔틸레버와, 압전막과 상기 압전막의 상, 하부면에 형성된 전극을 포함하는 두 개의 압전셀이 하나는 상기 캔틸레버의 상부면에 그리고 다른 하나의 압전셀은 캔틸레버의 하부면에 형성된 상부 기판과, 균일한 깊이를 가지는 캐비티가 형성된 하부 기판이 상기 상부 기판의 압전셀 하부면과 하부 기판의 캐비티가 형성된 면이 맞닿아 부착된 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 고감도 초소형 캔틸레버 센서.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 압전셀은 구동막이 형성된 반대면에 센싱이 가능한 다른 압전막을 이용한 바이모르프 형태의 압전막이 형성된 것을 특징으로 하는 고감도 초소형 캔틸레버 센서.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 바이모르프 형태를 가지는 압전셀을 가지는 캔틸레버는 엑츄에이터로 활용이 가능한 것을 특징으로 하는 고감도 초소형 캔틸레버 센서.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 두 개의 압전셀 중 하나는 구동부로 그리고 다른 하나는 센싱부로 역할이 나뉘어지는 것을 특징으로 하는 고감도 초소형 캔틸레버 센서.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 구동부와 센싱부가 캔틸레버에 형성된 것을 특징으로 하는 고감도 초소형 캔틸레버 센서.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 구동부는 압전 방식으로 구동하는 것을 특징으로 하는 고감도 초소형 캔틸레버 센서.
7. 제 4 항에 있어서,

   상기 구동부는 캐페시티브 방식으로 구동하는 것을 특징으로 하는 고감도 초소형 캔틸레버 센서.
8. 제 4 항에 있어서,

   상기 구동부를 형성하는 구동막은 박막인 것을 특징으로 하는 고감도 초소형 캔틸레버 센서.
9. 제 4 항에 있어서,

   상기 구동부를 형성하는 구동막은 후막인 것을 특징으로 하는 고감도 초소형 캔틸레버 센서.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 구동막은 PZT 계열이나 혹은 ZnO와 같은 압전물질로 형성된 것을 특징으로 하는 고감도 초소형 캔틸레버 센서.
11. 제 4 항에 있어서,

    상기 센싱부는 압전 방식으로 구동하는 것을 특징으로 하는 고감도 초소형 캔틸레버 센서.
12. 제 10 항에 있어서,

    상기 센싱부를 구성하는 센싱막는 PZT 계열이나 혹은 ZnO와 같은 압전물질로 형성된 것을 특징으로 하는 고감도 초소형 캔틸레버 센서.
13. 제 4 항에 있어서,

    상기 센싱부는 압저항 방식으로 구동하는 것을 특징으로 하는 고감도 초소형 캔틸레버 센서.
14. SOI 기판과 상기 SOI 기판의 하부에 두 개의 압전셀을 포함하는 상부 기판과 균일한 깊이를 가지는 캐비티가 형성된 하부 기판이 상부 기판의 압전셀 하부면과 하부 기판의 캐비티가 형성된 면을 서로 맞닿도록 부착시킨 후, 상부기판 상부에있는 실리콘을 식각 정지막이 노출될 때까지 제거하는 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 고감도 초소형 캔틸레버 센서의 제조 방법.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 상부 기판의 식각 정지막으로 실리콘 산화막을 사용하는 것을 특징으로 하는 고감도 초소형 캔틸레버 센서의 제조 방법.
16. 제 14 항에 있어서,

    상기 상부 기판의 식각 정지막으로 n형 도핑이 많이 이루어진 n+ 실리콘층을 사용하는 것을 특징으로 하는 고감도 초소형 캔틸레버 센서의 제조 방법.
17. 제 14 항에 있어서,

    상기 상부 기판의 식각 정지막으로 저응력 실리콘 질화막을 사용하는 것을 특징으로 하는 고감도 초소형 캔틸레버 센서의 제조 방법.
18. 제 14 항에 있어서,

    상기 캐비티가 형성된 하부 기판은 실리콘을 사용하는 것을 특징으로 하는 고감도 초소형 캔틸레버 센서의 제조 방법.
19. 제 14 항에 있어서,

    상기 캐비티가 형성된 하부 기판은 유리 기판을 사용하는 것을 특징으로 하는 고감도 초소형 캔틸레버 센서의 제조 방법.