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KR100479687B1 - 캔틸레버 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

캔틸레버 센서 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR100479687B1
KR100479687B1 KR10-2002-0030340A KR20020030340A KR100479687B1 KR 100479687 B1 KR100479687 B1 KR 100479687B1 KR 20020030340 A KR20020030340 A KR 20020030340A KR 100479687 B1 KR100479687 B1 KR 100479687B1
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silicon
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한국과학기술연구원
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Abstract

본 발명은 캔틸레버 센서에 관한 것으로서, 압전막들을 동일면에 형성하여 전기적 측정 방법을 통하여 여러 정보를 감지하는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명인 캔틸레버 센서는 그 일부는 일면의 실리콘 기판 위에 형성되고, 나머지 일부는 실리콘 웨이퍼의 뒷면을 식각하여 멤브레인으로서 제작된 제 1 실리콘 질화막 또는 실리콘/실리콘산화막(2중막)과; 상기 실리콘 질화막 위에 형성된 실리콘 산화막과; 상기 실리콘 산화막 상에 소정의 크기로 형성된 하부 전극과; 상기 하부 전극 상에 형성된 제 1 압전막과, 상기 제 1 압전막과 접촉하지 않도록 형성된 제 2 압전막과; 상기 제 1 및 제 2 압전막 위에 소정의 크기로 형성된 상부 전극과; 상기 하부 실리콘 산화막과, 하부 전극과, 제 1 및 제 2 압전막과, 상부 전극들에 형성된 보호막과; 각각의 상부 전극 상의 보호막과, 상기 하부 전극 상의 보호막에 형성된 제 1 개구들와 제 2 개구들과; 상기 제 1 및 제 2 개구들에 각각 형성된 제 1 및 제 2 콘택 패드 및; 상기 기판의 타면에 형성된 제 2 실리콘 질화막으로 이루어진다.

Description

캔틸레버 센서 및 그 제조 방법{CANTILEVER SENSOR AND METHOD FOR FABRICATION THEREOF}
본 발명은 캔틸레버 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 압전막들을 동일면에 형성하여 전기적 측정 방법을 통하여 여러 정보를 감지하는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 전기와 기계부품을 초소형으로 일체화시키는 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 공정을 기반으로 한 소형화된 센서들은 빠른 응답과 높은 감도, 그리고 대량생산에 적당하기 때문에 관심의 대상이 되고 있다.
MEMS 구조는 증착과 식각 등의 과정을 반복하는 반도체 미세 공정 기술을 적용하여 저렴한 비용으로 초소형 제품의 대량생산을 가능하게 하고 기존의 벌크형태의 부품들보다 적은 소비전력과 정밀한 구동을 가능하게 하여 나노기술 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 진행되고 있다.
대부분의 종래 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 같은 광원을 이용한 종래의 센서는 광원이 구성되어야 함으로 센서의 크기를 줄이는데 한계가 있다.
도 1은 종래의 광원을 이용한 캔틸레버 센서의 구성도를 도시한 것이다. 자세히 살펴보면, 상기 캔틸레버 센서의 구동부(11)에서 감지물질(12)의 열이나 혹은 질량 등의 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 집광시킴으로써 모든 센싱이 이루어진다.
이러한 종래의 센서는 구동부에서 발생하는 신호를 광 신호로 변환시키기 위한 레이저와 같은 광원(13)이나 광을 집광시키기 위한 위치인식 다이오드(14)와 같은 검출기(detector)가 구성되어 있어야 함으로 센싱시스템의 크기를 줄이는데 어려움이 있다. 또한 DNA, Protein 등 생체 물질의 감지를 위해서 종래의 칩들은 유리, 실리콘 웨이퍼 등 기판 위에 어레이 형태로 여러 개의 금(gold) 패턴을 만들어 그 위에 생체인식 유기분자막이 형성될 수 있도록 하고, 표면개질을 수행하고 대상 감지 생체물질을 프루브(probe)를 사용하여 분석물질 내에 함유된 측정 대상 물질과 결합할 경우, 첨가된 형광물질에 의하여 레이져 등으로 조사될 경우 형광을 발하게 되고, 상기 형광을 광 감지 소자(또는 검출기)를 이용 감지하도록 하고 있다. 이러한 방법 역시 광원과 검출기를 동시에 내장하여야 하고 포커싱에 필요한 광학계도 장착하여야 하는 등 소형화에 어려움이 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은 캔틸레버 센서가 광 신호 대신 전기적 신호를 감지하도록 하여 시스템의 크기를 대폭 줄이는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 Si 또는 저응력 Si3N4막을 사용하여, 1개의 웨이퍼 내에서 캔틸레버를 제작함으로써 공정을 간단히 하면서 동시에 센서와 구동을 위한 압전셀을 같은 면 위에 동시에 형성하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 탄성이 우수한 Si/SiO2 또는 Si/Si3N4 등 복합막을 이용하여 스프링 콘스탄트를 높여 측정시 캔틸레버 위에 흡착된 반응 물질에 의하여 발생되는 스트레스 변화를 줄이고 감도를 증진시키는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 스프링 콘스탄트를 높이고 이에 수반한 압전막의 특성을 증가시켜 마이크로 캔틸레버의 구동 힘을 증가시켜 액체내에서 비스코스 댐핑등에 의한 Q 값의 저하를 막고 감도를 유지하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 캔틸레버 센서의 센서와 구동막이 형성된 면 이외에 반대면에도 프루브를 형성함으로써 우수한 센싱 특성을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 구동 및 센싱이 이루어지는 면 이외에 생체 물질 감지 프루브가 올라가는 별도의 면이 캔틸레버 끝 쪽에 형성되어 센싱시 발생되는 표면 흡착에 의한 스프링 콘스탄트 변화를 배제하고 무게의 변화에 의한 센싱을 가능하게 하고 T 자 형태를 취함으로써 센싱 면적을 증대시키는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 구동부로부터 구동하는 동안에 센싱부에서 공진주파수 변화 뿐 아니라 전하량 또는 이로부터 야기된 전압의 변화 또는 Quality factor 값을 측정하는데 있다.
본 발명인 캔틸레버 센서는 그 일부는 일면의 실리콘 기판 상에 형성되고, 나머지 일부는 멤브레인 상에 형성된 제 1 실리콘 질화막과; 상기 실리콘 질화막 위에 형성된 실리콘 산화막과; 상기 실리콘 산화막 상에 소정의 크기로 형성된 하부 전극과; 상기 하부 전극 상에 형성된 제 1 압전막과, 상기 제 1 압전막과 접촉하지 않도록 형성된 제 2 압전막과; 상기 제 1 및 제 2 압전막 위에 소정의 크기로 형성된 상부 전극과; 상기 하부 실리콘 산화막과, 하부 전극과, 제 1 및 제 2 압전막과, 상부 전극들에 형성된 보호막과; 각각의 상부 전극 상의 보호막과, 상기 하부 전극 상의 보호막에 형성된 제 1 개구들와 제 2 개구들과; 상기 제 1 및 제 2 개구들에 각각 형성된 제 1 및 제 2 콘택 패드 및; 상기 기판의 타면에 형성된 실리콘 질화막으로 이루어진다.
또한, 본 발명인 캔틸레버 센서는 실리콘 기판의 상부와 하부에 각각 실리콘 질화막을 증착시키는 단계와; 상기 상부에 형성된 실리콘 질화막 위에 실리콘 산화막을 증착시키는 단계와; 상기 실리콘 산화막에 소정의 크기의 하부 전극을 증착시키는 단계와; 상기 하부 전극 위에 제 1 압전막과, 상기 제 1 압전막과 접촉하지 않도록 제 2 압전막을 증착시키는 단계와; 상기 제 1 및 제 2 압전막 위에 소정의 크기의 상부 전극을 각각 증착시키는 단계와; 상기 하부 실리콘 산화막과, 하부 전극과, 제 1 및 제 2 압전막과, 상부 전극들에 보호막을 증착시키는 단계와; 각각의 상부 전극 상의 보호막에 제 1 개구를 형성하고, 상기 하부 전극 상의 보호막에 제 2 개구를 형성하는 단계와; 상기 제 1 및 제 2 개구에 각각 제 1 및 제 2 콘택 패드를 형성하는 단계와; 상기 기판의 하부 상의 실리콘 질화막의 일부를 제거하는 단계와; 상기 실리콘 질화막이 제거된 실리콘 기판을 식각하여 일정한 두께를 갖는 멤브레인을 형성하는 단계 및; 상기 기판의 상부를 식각함으로써 상기 멤브레인의 일부분을 절단하여 캔틸레버를 형성시키는 단계를 포함한다.
또한 상기 방법에 있어서 하부 실리콘을 식각하여 일정한 두께를 가지게 하는 공정에 있어서 Si/Si3N4 이중막을 갖도록 하는 단계를 포함할 수 있고, 이때 두께 조절을 용이하게 하기 위하여 일정한 두께의 실리콘을 실리콘 산화 층 위에 가지고 있는 Silicon on Insulator(SOI) 웨이퍼를 사용하는 단계가 포함될 수있으며, 실리콘 웨이퍼 앞뒤면에 증착하는 실리콘 질화막 대신에 산화막을 사용할 수도 있다.
본 발명에서 사용한 캔틸레버의 제조 공정은 박막 공정을 이용하는 방법과 후막 공정을 이용하는 방법이 있다.
도 2a는 본 발명인 압전 박막을 이용한 캔틸레버 센서의 단면도를 도시한다. 상기 캔틸레버 센서는 하기의 공정을 통하여 제조된다.
먼저, 실리콘 기판(20)의 상부와 하부에 각각 상부 및 하부 실리콘 질화막(SiNx) 또는 산화막(SiO2)(21, 22)을 증착시킴으로써, 차후의 식각 용액으로부터 상기 실리콘 기판(20)을 보호하도록 한다.
다음으로, 상기 상부 실리콘 질화막(21) 상에 하부 실리콘 산화막(SiO2)(23)을 저압화학기상증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition: LPCVD)법 또는 플라즈마 화학기상증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition: PECVD)법으로 약 약 500-4000Å 두께로 증착한다. 상기 하부 실리콘 산화막(23)은 상기 상부 실리콘 질화막(SiNx)(21) 상에 구동막과 센싱막으로 작용하는 압전물질인 PZT층을 형성하는데 있어서 상기 상부 실리콘 질화막(21)과 PZT막의 붙임성을 좋게 하기 위하여 형성된다. 만약 실리콘 질화막 대신에 실리콘 산화막을 입힌 경우 별도의 산화막을 증착하지 않아도 무방하다.
다음으로, 상기 하부 실리콘 산화막(23) 상에 하부전극(24)인 Pt를 캔틸레버 센서로 사용할 만큼의 면적으로 증착시킨다. 추가적으로, 상기 하부전극(24)의 접착성을 증진시키기 위하여, 약 100-500Å정도의 두께로 Ta층을 상기 하부 실리콘 산화막(23) 상에 증착하여 Ta/Pt 복합을 형성하도록 한다.
다음으로, 상기 하부 전극(24) 상에 PZT 계열이나 혹은 ZnO와 같은 압전성이 뛰어난 물질을 사용하여 실리콘 캔틸레버 센서의 압전막(25)을 증착한다. 상기 압전막(25)은 한번에 두꺼운 압전막을 형성하기 위하여 Diol을 용매로 하는 Sol-gel 방법을 사용하였으나 다른 용매의 졸의 경우에도 졸의 농도를 높여 사용하는 방법도 가능하다. 상기 압전막(25)인 PZT막의 두께는 0.3-2 ㎛ 정도도 가능하나 0.4-1㎛정도가 박막형 압전캔틸레버 제작에는 적당하다.
상기 압전막(25) 상에 Pt를 스퍼터링이나 혹은 E-beam 증착법을 사용하여 증착하여 상부전극(26)을 증착한다.
다음으로, 상기 상부전극(26) 상에 SiO2막(27)을 증착한다. 상기 SiO2막(27)은 차후에 각각의 크기대로 페턴되어 있는 마스크로서 사용하여 상부전극(26), 압전막(25), 하부전극(24) 순으로 식각하여 페터닝해내고 전기적으로 이들 압전 셀을 페시베이션 하기 위한 것이다. 상기 SiO2막(27)의 증착 방법은 PECVD나 혹은 저온(Low Temperature) LPCVD를 사용하거나 혹은 E-beam 증착법 또는 스퍼터링법도 가능하다.
다음으로, 상기 SiO2막(27) 상에, 상기 상부 전극(26) 상에 소정의 크기의 개구(30)와, 상기 하부 전극(24) 상에 소정의 크기의 개구(31)를 형성하고, 상기 개구(30), (31)에 각각 콘택 패드(28), (29)를 형성한다. 상기 콘택 패드(28), (29)는 상기 상부 전극(26) 및 하부 전극(24)의 구동을 위하여 신호를 인가하거나, 신호를 측정하기 위한 전기적인 연결 패드이다.
다음으로, 리프트-오프(Lift-off) 방법 등을 사용하여 생체물질 프르브를 붙이기 위한 Au 층(32)을 증착하여 상부 공정을 완성한다. 다음으로, 상기 실리콘 기판(20)의 하부면에 형성된 실리콘 질화막(22)을 상기 압전막(25)이 증착된 면적 정도로 제거하고, 이때 상기 실리콘 기판(20)을 상부면의 막들을 식각용액으로부터 보호하기 위하여 특별한 지그를 사용하여 하부면만 노출되도록한 다음 식각 용액에 담궈 실리콘 기판(20)을 일부 제거하여 일정한 두께의 멤브레인(33)을 형성한다. 이 때 상기 실리콘 기판(20)의 식각 방법으로는 일반적으로 사용되는 KOH, TMAH 용액 등을 이용한 습식 식각 방법이나 이온 반응 식각 방법 또는, 이온빔 식각 방법 등이 사용될 수 있다.
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다음으로, 앞면에 다시 페터닝하여 반응성 이온식각(Reactive ion Etching: RIE) 방법으로, 상기 압전막(25)으로부터 소정의 거리를 두어 캔틸레버를 분리시켜 소자를 완성하게 된다. 바람직하게는, 상기 하부 전극(24)과 압전막(25)이 노출되지 않도록 분리한다.
도 2b는 본 발명인 압전 후막을 이용한 캔틸레버 센서의 단면도를 도시한 것으로서, 상기 압전막(25)으로 후막을 사용할 경우에도 방법은 유사하나 공정순서에 있어서 차이가 있다.
먼저, 상기 실리콘 기판(20)의 상부와 하부에 상부 및 하부 실리콘 질화막(21), (22)을 증착하고, 상기 하부 실리콘 질화막(22)의 소정의 면적을 식각 용액에 담궈 일부의 질화막(22)을 제거한다. 이때, 실리콘 산화막을 사용하여 같은 방법으로 실시하여도 무방하다.
다음으로 도 2a에서와 유사한 방법으로, 일정한 두께(5-30㎛정도)의 멤브레인(306)을 형성한다. 상기 멤브레인(306)의 두께는 압전 후막의 두께에 따라 변경이 가능하다.
다음으로, 상기 상부 실리콘 질화막(21)에 확산 방지막으로 안정화 지르코늄 산화물(Yttria Stablilized zirconia: YSZ)층(301)을 약 500-1000Å 정도의 두께로 CVD, Sputtering, Sol-gel 법등으로 증착한다.
다음으로, 접착층으로서 Ti, TiO2, Ta 등으로 구성된 접착층(302)과, 상기 접착층(302) 상에 하부전극 Pt층(303)을 형성한다. 상기 하부 전극Pt층(303)의 두께는 1500-3500Å 정도가 적당하다.
다음으로, 압전후막(304)이 스크린 프린팅과 같은 방법을 사용하여 형성되고, 상기 압전후막(304)의 두께는 2-50㎛정도이나 10-30㎛정도가 센서로서 적당하다. 이후의 상부 형성 방법은 상기 압전 박막의 방법과 동일하다.
도 3a는 본 발명인 캔틸레버 센서의 일실시예의 평면도를 도시한 것으로서, 자세하게는 상기 도 2a에서 설명된 캔틸레버 센서가 분리된 후의 평면도 중에서, 상기 압전막(25)이 형성된 직후의 평면도를 도시한다. 도 3a와 같이, 상기 압전막(25)은 제 1 압전막(25a)과, 동일 평면 상에 상기 압전막(25a)과 접촉됨이 없이 형성된 제 2 압전막(25b)으로 형성된다. 즉, 도 3a의 A-A'를 따른 단면도가 도 2a의 단면도이기 때문에, 상기 압전막(25)은 하나의 소자인 것으로 도시되나, 실제로는 제 1 압전막(25a)과 제 2 압전막(25b)으로 이루어져 있다. 도 3a와 같이 제 1 압전막과 제 2 압전막이 형성될 수 있으며, 다만 상기 제 1 압전막과 제 2 압전막이 동일 평면 상에서 접촉되지 않는 형태이면, 본 발명의 실시예로서 적합하게 된다.
따라서, 상기 압전막(25)을 증착한 이후에, 상기 상부 전극(26)의 증착은 각각 제 1 압전막(25a)과 제 2 압전막(25b) 상에 소정의 면적으로 이루어지게 되고, 상기 상부 실리콘 산화막(27)은 상기 제 1 압전막(25a)과 제 2 압전막(25b)의 노출부분, 상부 전극(26)과, 하부 전극(24)의 노출부분에 증착된다. 그럼으로써, 상기 제 1 압전막(25a)과 제 2 압전막(25b) 사이에 상기 상부 실리콘 산화막(27)이 증착된다.
상기 제 1 및 제 2 압전막들(25a), (25b)는 그 중 하나는 상기 캔틸레버 센서를 구동시키는 구동막으로서, 다른 하나는 상기 캔틸레버 센서를 통하여 각종 정보를 감지하는 감지막으로서 작동한다. 이러한 1 압전막(25a)과 제 2 압전막(25b)의 구성으로 통하여 센서의 제조 공정을 단순화 시킨다. PZT와 같은 압전성이 우수한 압전막(25)을 구동막으로서 사용함으로써, 외부에서 인가한 전기적인 신호를 통해 우수한 구동이 이루어지고 이때 감지막을 통하여 센싱이 이루어짐으로 기존의 센서에 비해 광원을 요구하지 않기 때문에 센서의 크기를 줄일 수 있는 것이다.
또한, 상기 캔틸레버 센서를 분리하는 단계에서 상기 캔틸레버 센서의 단부에 감지 물질을 올려놓기 위한 물질 부착부분(43)이 형성되도록 한다.
도 3b는 본 발명인 캔틸레버 센서의 다른 실시예의 평면도를 도시한 것으로서, 상기 물질 부착부분(43)의 형상을 기존의 I 자 형태의 단순한 형태에서 생체물질과 같은 감지 물질의 감지 면적을 향상시키고 캔틸레버 전체에 생체물질이 흡착되어 캔틸레버의 스티프니스(steepeness) 변화를 초래하는 것을 막기 위하여 T 자형태가 되도록 캔틸레버 센서를 분리한 실시예이다. 이와 같이 물질 부착부분(43)을 상기 캔틸레버 센서의 단부에 형성하도록 한 것은 구동하기 위한 센서 및 액츄에이터가 위치한 부위 이외에 캔틸레버 센서의 단부에 독립적으로 생체물질이 부착되어질 경우 생체물질로 인한 구동부위의 기계적인 특성변화에 의한 감지특성 영향을 줄일 수 있어 유리하기 때문이다.
도 4는 본 발명인 캔틸레버 센서의 다른 실시예의 단면도를 도시한 것으로서, 상기 멤브레인(33)이 형성된 면에 Au 층(40)을 상기 Au층(32)과 같이 증착하고, 감지 프루브(41)를 상기 Au 층(32), (40)에 각각 부착한 것이다. 상기 캔틸레버 반대면에 형성하는 Au층(40)은 캔틸레버 분리 전이나 혹은 후에 형성 가능하다. 이와 같이, 캔틸레버 뒷면에도 감지 프루브를 형성하여 앞, 뒷면 모두에 감지가 이루어져 감도 향상을 도모할 수 있다.
도 5a는 본 발명인 캔틸레버 센서의 공진주파수의 측정 결과를 나타내는 그래프이고, 도 5b는 본 발명인 캔틸레버 센서의 전하량의 측정결과를 나타내는 그래프이다. 이때, 캔틸레버 센서의 크기는 200㎛×200㎛, 두께는 1.5㎛ 로우 스트레스(Low Stress) Si3N4이다.
본 발명에 따른 캔틸레버 센서는 센싱하는 물리량으로서 공진주파수 변화 이외에도 전하량(Charge Q) 또는 Voltage 변화 또는 Quality factor값 변화도 측정가능하다. 구동막(상기 제 1 압전막(25a) 또는 제 2 압전막(25b))에 sine 파 형태의 ±0.5V의 시그널을 인가하여 레이저 진동계를 사용하여 캔틸레버의 진동 속도를 측정할 경우, 공진점에서 속도가 급격히 증가하게 되며 이때의 주파수가 공진주파수에 해당한다. 도 5a에서는 공진주파수가 12-13kHz사이에 존재함을 보여주고 있다. 또한 이때 감지막(상기 제 1 압전막(25a) 또는 제 2 압전막(25b))에 발생하는 전하량 값을 구동막에 인가한 주파수 변화에 따라 측정한 결과가 도 5b에 나타나 있으며 공진점 부분에서 전하량의 증가가 뚜렷이 보여지고 있어, 구동막와 감지막이 올바로 동작함을 알 수 있다. .
상기의 구동막과 감지막의 두께는 캔틸레버의 두께에 따라 박막부터 후막까지 다양하게 적용될 수 있다.
압전막을 박막으로 적용할 경우에는 Sol-Gel 법, 스퍼터링(sputtering)이나 혹은 통상적인 CVD를 통해 구동막을 증착할 수 있으며, 구동막을 후막으로 적용할 경우에는 스크린 프린팅(screen printing)이나 혹은 통상적인 CVD방법도 가능하다.
상기의 방법으로 형성된 압전막(25)위에 하부전극을 증착하는 방법과 동일한 방법을 이용하여 상부 전극(26)을 증착 한 후, 소자의 보호나 혹은 타 용액들과의 접촉을 피하기 위해 실리콘 산화막(SiO2)이나 혹은 실리콘 질화막(SiNX)이나 혹은 실리콘 탄화막(SiC)같은 보호막을 입힐 수도 있다. 이 때 압전막(25)의 상·하부에 형성되는 상부 전극(26)이나 하부 전극(24)은 백금이나 혹은 전도성 산화물로 널리 알려진 RuO2, SrRuO3와 같은 산화물 전극도 가능하다.
상기와 같은 방법으로 제작된 캔틸레버 센서는 응용하고자 하는 용도에 따라 캔틸레버 위에 감지막을 다르게 적용하여 다양한 센서로 응용할 수 있다.
예를 들어, 캔틸레버 위에 습기를 흡수하는 감지막을 적용할 경우 고감도 습도 센서로, 머큐리를 흡착할 수 있는 감지막을 증착 할 경우 머큐리 감지 센서로, 각종 가스를 흡착 할 수 있는 감지막을 이용할 경우 고감도 가스센서로의 응용이 가능하다.
상기 구성에 따른 본 발명은 전기적인 신호의 감지를 통하여 센서의 크기를 대폭 줄여 대량 생산에 용이하게 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 구동 및 감지부위가 있는 면 및/또는 반대면에 각각 또는 동시에 생체 물질을 부착함으로써 넓은 면적의 표면 개질을 형성하여 우수한 센싱 특성을 제공하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 캔틸레버의 모양을 단순한 I 자 형이외에 T자 형으로 고안하여 감지 물질부착부의 면적을 증대시켜 감지특성 향상을 도모함과 아울러 독자적으로 T자형 끝부분에만 감지물질이 올라가도록 하여 구동 및 감지 부분이 위치한 부분의 감지 물질 부착에 의한 기계적특성 변화와 같은 특성변화의 영향을 피할 수 있으며, 동시에 구동과 감지가 이루어지도록 하여 빠른 센서의 응답속도를 제공하는 효과가 있다.
또한, 응용하고자 하는 감지막의 적용에 따라 바이오 칩 이외에 습도 센서, 머큐리 감지 센서, 고감도 가스 센서, 그리고 수피코 그램부터 수 마이크로 그램의 무게를 감지하는 Mass 센서로도 응용이 가능한 효과가 있다.
도 1은 종래의 광을 이용한 캔틸레버 센서의 개략도.
도 2a는 본 발명인 압전 박막을 이용한 캔틸레버 센서의 단면도.
도 2b는 본 발명인 압전 후막을 이용한 캔틸레버 센서의 단면도.
도 3a는 본 발명인 캔틸레버 센서의 일실시예의 평면도.
도 3b는 본 발명인 캔틸레버 센서의 다른 실시예의 평면도.
도 4는 본 발명인 캔틸레버 센서의 다른 실시예의 단면도.
도 5a는 본 발명인 캔틸레버 센서의 공진주파수의 측정 결과를 나타내는 그래프.
도 5b는 본 발명인 캔틸레버 센서의 전하량의 측정결과를 나타내는 그래프.

Claims (27)

  1. 일부는 일면의 실리콘 기판 상에 형성되고, 나머지 일부는 멤브레인 상에 형성된 제 1 실리콘 질화막과;
    상기 실리콘 질화막 위에 형성된 실리콘 산화막과;
    상기 실리콘 산화막 상에 소정의 크기로 형성된 하부 전극과;
    상기 하부 전극 상에 형성된 제 1 압전막과, 상기 제 1 압전막과 접촉하지 않도록 형성된 제 2 압전막과;
    상기 제 1 및 제 2 압전막 위에 소정의 크기로 형성된 상부 전극과;
    상기 하부 실리콘 산화막과, 하부 전극과, 제 1 및 제 2 압전막과, 상부 전극들에 형성된 보호막과;
    각각의 상부 전극 상의 보호막과, 상기 하부 전극 상의 보호막에 형성된 제 1 개구들와 제 2 개구들과;
    상기 제 1 및 제 2 개구들에 각각 형성된 제 1 및 제 2 콘택 패드 및;
    상기 기판의 타면에 형성된 제 2 실리콘 질화막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 멤브레인은 실리콘 질화막/실리콘 또는 실리콘 산화막/실리콘의 이중층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 압전막들의 두께는 0.3 내지 2 ㎛인 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서.
  4. 일부는 일면의 실리콘 기판 상에 형성되고, 나머지 일부는 멤브레인 상에 형성된 제 1 실리콘 질화막과;
    상기 제 1 실리콘 질화막 상에 형성된 YSZ층과;
    상기 YSZ층 상에 형성된 소정의 크기로 형성된 하부 전극과;
    상기 하부 전극 위에 형성된 제 1 압전막과, 상기 제 1 압전막과 접촉하지 않도록 형성된 제 2 압전막과;
    상기 제 1 및 제 2 압전막 위에 소정의 크기로 형성된 상부 전극과;
    상기 YSZ층과, 하부 전극과, 제 1 및 제 2 압전막과, 상부 전극들에 형성된 보호막과;
    각각의 상부 전극 상의 보호막과, 상기 하부 전극 상의 보호막에 형성된 제 1 개구와, 제 2 개구 및;
    상기 제 1 및 제 2 개구에 각각 형성된 제 1 및 제 2 콘택 패드를 구비하는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 하부 전극은 Pt로 이루어지고, 상기 하부 전극을 증착하는 단계 이전에, 상기 하부 실리콘 산화막에 접착층을 구비하는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 압전막들의 두께는 2 내지 50 ㎛인 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 YSZ층의 두께는 500 내지 1000Å인 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서.
  8. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 캔틸레버 센서는 각각의 상부 전극 위의 상기 보호막과, 상기 제 1 콘택 패드 위에 형성된 Au층과;
    상기 멤브레인 내에서 상기 제 1 압전막과 제 2 압전막에 대응하는 각각의 부분들에 형성된 Au층을 추가적으로 구비하는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 캔틸레버 센서는 상기 Au층들 상에 형성된 생체물질 프루브를 추가적으로 구비하는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서.
  10. 제 2 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 접착층은 Ta를 함유하는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서.
  11. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 캔틸레버 센서는 상기 캔틸레버의 단부에 감지 물질을 올려놓기 위한 물질 부착부분을 추가적으로 구비하는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서.
  12. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 보호막은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 및 실리콘 탄화막 중의 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서.
  13. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 상부 전극과 하부 전극은 백금, 전도성 산화물 중의 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서.
  14. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 압전막들 중의 하나는 감지막이고, 다른 하나는 구동막인 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서.
  15. 실리콘 기판의 상부와 하부에 각각 실리콘 질화막을 증착시키는 단계와;
    상기 상부에 형성된 실리콘 질화막 위에 실리콘 산화막을 증착시키는 단계와;
    상기 실리콘 산화막에 소정의 크기의 하부 전극을 증착시키는 단계와;
    상기 하부 전극 위에 제 1 압전막과, 상기 제 1 압전막과 접촉하지 않도록 제 2 압전막을 증착시키는 단계와;
    상기 제 1 및 제 2 압전막 위에 소정의 크기의 상부 전극을 각각 증착시키는 단계와;
    상기 하부 실리콘 산화막과, 하부 전극과, 제 1 및 제 2 압전막과, 상부 전극들에 보호막을 증착시키는 단계와;
    각각의 상부 전극 상의 보호막에 제 1 개구를 형성하고, 상기 하부 전극 상의 보호막에 제 2 개구를 형성하는 단계와;
    상기 제 1 및 제 2 개구에 각각 제 1 및 제 2 콘택 패드를 형성하는 단계와;
    상기 기판의 하부 상의 실리콘 질화막의 일부를 제거하는 단계와;
    상기 실리콘 질화막이 제거된 실리콘 기판을 식각하여 일정한 두께를 갖는 멤브레인을 형성하는 단계 및;
    상기 기판의 상부를 식각함으로써 상기 멤브레인의 일부분을 절단하여 캔틸레버를 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서의 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 하부 전극은 Pt로 이루어지고, 상기 하부 전극을 증착하는 단계 이전에, 상기 실리콘 산화막에 접착층을 증착하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서의 제조 방법.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 압전막들의 두께는 0.3 내지 2 ㎛인 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서의 제조 방법.
  18. 실리콘 기판의 상부와 하부에 각각 실리콘 질화막을 증착시키는 단계와;
    상기 기판의 하부 상의 실리콘 질화막의 일부를 제거하는 단계와;
    상기 실리콘 질화막이 제거된 실리콘 기판을 식각하여 일정한 두께를 갖는 멤브레인을 형성하는 단계와;
    상기 상부에 형성된 실리콘 질화막 위에 YSZ층을 증착시키는 단계와;
    상기 YSZ층 상에 소정의 크기의 하부 전극을 증착시키는 단계와;
    상기 하부 전극 위에 제 1 압전막과, 상기 제 1 압전막과 접촉하지 않도록 제 2 압전막을 증착시키는 단계와;
    상기 제 1 및 제 2 압전막 위에 소정의 크기의 상부 전극을 각각 증착시키는 단계와;
    상기 YSZ층과, 하부 전극과, 제 1 및 제 2 압전막과, 상부 전극들에 보호막을 증착시키는 단계와;
    각각의 상부 전극 상의 보호막에 제 1 개구를 형성하고, 상기 하부 전극 상의 보호막에 제 2 개구를 형성하는 단계 및;
    상기 제 1 및 제 2 개구에 각각 제 1 및 제 2 콘택 패드를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서의 제조 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 하부 전극은 Pt로 이루어지고, 상기 하부 전극을 증착하는 단계 이전에, 상기 하부 실리콘 산화막에 접착층을 증착하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서의 제조 방법.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 YSZ층의 두께는 500 내지 1000Å인 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서의 제조 방법.
  21. 제 18 항에 있어서, 상기 압전막들의 두께는 2 내지 50 ㎛인 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서의 제조 방법.
  22. 제 15 항 또는 제 18 항에 있어서, 상기 제조 방법은 각각의 상부 전극 위의 상기 보호막과, 상기 제 1 콘택 패드 위에 Au층을 증착시키는 단계와;
    상기 멤브레인 내에서 상기 제 1 압전막과 제 2 압전막에 대응하는 각각의 부분들에 Au층을 증착시키는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서의 제조 방법.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 제조 방법은 상기 Au층들 상에 생체물질 프루브를 붙이는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서의 제조 방법.
  24. 제 16 항 또는 제 19 항에 있어서, 상기 접착층은 Ta를 함유하는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서의 제조 방법.
  25. 제 15 항 또는 제 18 항에 있어서, 상기 제조 방법은 상기 캔틸레버를 형성하는 단계에서 상기 식각을 상기 제 2 압전막과 거리를 두어 수행하여 상기 캔틸레버의 단부에 감지 물질을 올려놓기 위한 물질 부착부분이 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서의 제조 방법.
  26. 제 15 항 또는 제 18 항에 있어서, 상기 보호막은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 및 실리콘 탄화막 중의 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서의 제조 방법.
  27. 제 15 항 또는 제 18 항에 있어서, 상기 상부 전극과 하부 전극은 백금, 전도성 산화물 중의 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 센서의 제조 방법.
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