KR100510887B1 - Mass-sensitive sensor, and its method for manufacturing - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압전 박막의 탄성파체적파 공진기를 이용한 질량 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a mass sensor using a piezoelectric thin film bulk acoustic wave resonator and a method of manufacturing the same.
질량 센서 및 그 제조 방법시스템은, 기판 상에 임피던스 차이가 큰 물질을 교대로 증착하여 브래그 반사층을 형성한 후에 여러 형태로 제조 가능한 하부 전극과 상부 전극을 금속 박막을 이용해 형성하고, 상부 전극과 하부 전극 사이에 압전물질을 증착하여 형성한 압전층을 형성한 탄성체적파 공진기를 이용하여 상부전극의 신호선과 접지선의 전위차로 인한 전기장, 또 상부 전극의 신호선과 하부전극간의 전위차로 인해 발생되는 전기장이 공진을 유발시켜 센서로서 동작하게 된다. The mass sensor and a method of manufacturing the system are formed by alternately depositing a material having a large impedance difference on a substrate to form a Bragg reflection layer, and then forming a lower electrode and an upper electrode by using a metal thin film, and forming the upper electrode and the lower electrode. An elastic field resonator having a piezoelectric layer formed by depositing a piezoelectric material between electrodes resonates with an electric field caused by a potential difference between a signal line and a ground line of an upper electrode, and an electric field generated due to a potential difference between a signal line and a lower electrode of an upper electrode. To act as a sensor.
이와 같이 하면, 반도체 기술을 센서의 제조시 적용하여 소형이면서 우수한 고감도 특성을 갖는 센서를 제조할 수 있고, 제작의 재현성 및 신뢰성을 높일 수 있으며, 제조 단가를 낮출 수 있다. In this way, by applying the semiconductor technology in the manufacturing of the sensor, it is possible to manufacture a sensor having a small and excellent high sensitivity characteristics, it is possible to increase the reproducibility and reliability of the manufacturing, and to reduce the manufacturing cost.
Description
본 발명은 압전 박막의 탄성파체적파 공진기를 이용한 질량 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a mass sensor using a piezoelectric thin film bulk acoustic wave resonator and a method of manufacturing the same.
압전 물질을 이용한 탄성파(acoustic wave) 소자는 필터 및 듀플렉서 같은 전자 소자로 통신 산업에서 널리 이용되어 왔을 뿐 아니라 다양한 화학적, 생물학적 환경 모니터링에 센서 및 변환기(transducer)로도 현재 연구되고 있다. Acoustic wave devices using piezoelectric materials have been widely used in the telecommunications industry for electronic devices such as filters and duplexers, and are currently being studied as sensors and transducers for monitoring various chemical and biological environments.
특히, 탄성파의 공진 현상에 기반을 둔 질량 센서(mass-sensitive sensor)들은 질량 변화에 대한 높은 민감도와 낮은 제조 단가에 대한 잠재성으로 인해 폭 넓게 연구되고 있다. In particular, mass-sensitive sensors based on resonant phenomena of seismic waves have been widely studied due to their high sensitivity to mass changes and the potential for low manufacturing costs.
전형적인 압전 탄성파 센서에는 탄성파 공진기의 공진 주파수가 공진기 표면의 질량 변화에 응답해서 변화하는 것을 기초로 하는 BAW(Bulk Acoustic Wave) 센서와 SAW(Surface Acoustic Wave) 센서가 있다. Typical piezoelectric acoustic wave sensors include a bulk acoustic wave (BAW) sensor and a surface acoustic wave (SAW) sensor based on a change in the resonant frequency of the acoustic wave resonator in response to changes in the mass of the resonator surface.
BAW(Bulk Acoustic Wave) 센서는 압전물질의 벌크(bulk) 내부를 전파하는 종단적 내지 전단파(longitudinal 내지 Shear Wave)를 이용한다. Bulk acoustic wave (BAW) sensors use longitudinal to shear waves that propagate the bulk inside of the piezoelectric material.
수정미량저울(QCM)은 전형적인 BAW 타입의 센서로 수정 결정을 얼마나 얇게 연마할 수 있는가에 따라 성능이 달라지는데, 연마하는 가공방식의 한계로 인해 대개 수 백 MHz 이하의 주파수에서 동작한다. Microbalance (QCM) is a typical BAW-type sensor, whose performance depends on how thin the crystal can be polished. Due to the limitations of the grinding process, it usually operates at frequencies below several hundred MHz.
QCM은 상대적으로 낮은 동작 주파수로 낮은 질량 민감도(mass sensitivity)를 갖고, 사용되는 체적파가 두께 전단 모드(Thickness Shear Mode)로써 감쇠가 작으며, 안정적인 주파수 동작으로 인해 SAW 센서를 제치고 화학 증기와 가스센서로서 많이 연구되고 있다. QCM has low mass sensitivity with relatively low operating frequency, the volume wave used is small attenuation with thickness shear mode, and stable frequency operation beats the SAW sensor due to chemical vapor and gas Much research has been conducted as a sensor.
QCM은 신호 발생기(signal generator) 및 기준 시스템(reference system) 으로써 모든 종류의 전자소자에 응용되고 있을 뿐 아니라 바이오센서 응용을 위한 질량(mass-sensitive) 센서로도 주목 받고 있다. As a signal generator and reference system, QCM is not only applied to all kinds of electronic devices but also attracts attention as a mass-sensitive sensor for biosensor applications.
QCM으로 알려져 있는 TSM(Thickness Shear Mode) 공진기는 외부 시료(analyte) 막의 질량이나 두께를 전기적인 신호로 변환하는 화학적 생물학적 센서소자용의 전형적인 역학 변환기(transducer)로 간주되고 있다. TSM (Thickness Shear Mode) resonators, known as QCMs, are regarded as typical mechanical transducers for chemical and biological sensor devices that convert the mass or thickness of an external membrane into electrical signals.
이러한 QCM은 생체분자들 간의 상호작용을 정량화시킬 수 있고 세포 시스템의 점탄성(visco-elastic) 성질들을 결정할 수 있다는 점에서 바이오 응용을 위해 폭 넓게 연구되고 있다. 또한, QCM은 항원-항체 반응과 단일 세포의 검출, DNA 인식 및 용액 속 분자들의 점탄성 특성들의 분석 등의 기능을 갖는 바이오센서로 대부분 사용되고 있다. These QCMs have been extensively studied for bioapplications in that they can quantify the interactions between biomolecules and determine the visco-elastic properties of the cellular system. In addition, QCM is mostly used as a biosensor having functions such as antigen-antibody reaction, single cell detection, DNA recognition, and analysis of viscoelastic properties of molecules in solution.
그런데, QCM은 몇 백 MHz의 낮은 주파수에서 동작하므로 감도(sensitivity)가 좋지 못하고, 센서의 크기가 아직까지 수 cm 정도로 비교적 크다는 문제점이 있다. However, since the QCM operates at a low frequency of several hundred MHz, the sensitivity is not good, and the size of the sensor is still relatively large, about several cm.
한편, SAW 센서는 최근 단일 소자 기술(monolithic device technology)의 발전으로 인해 항법(navigation) 기술과 통신 신호 처리에 응용할 수 있다.SAW sensors, on the other hand, can be applied to navigation technology and communication signal processing due to the recent development of monolithic device technology.
SAW 센서에서 표면파는 IDT(InterDigital Transceiver) 구조의 전극에 의해 발생되고 압전 기판의 표면에서 공진을 일으킨다. 이러한 SAW 소자는 표면파의 진동에 필수적인 IDT가 요구하는 지연 라인(delay line)의 길이 때문에 크기를 줄이기가 상당히 힘들다는 문제점이 있다. In SAW sensors, surface waves are generated by electrodes of an interdigital transceiver (IDT) structure and cause resonance on the surface of the piezoelectric substrate. This SAW device has a problem that it is difficult to reduce the size due to the length of the delay line required by IDT, which is essential for the surface wave vibration.
QCM 이나 SAW 센서의 크기는 단일 세포의 검출과 같은 경우처럼 제한된 공간에서 사용할 센서의 목적에서는 중요하다.The size of a QCM or SAW sensor is important for the purpose of the sensor to be used in confined spaces, such as in the case of single cell detection.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 압전 박막의 탄성파체적파 공진기를 이용하여 소형이면서 우수한 고감도 특성을 갖는 센서를 제조할 수 있고, 제작의 재현성 및 신뢰성을 높일 수 있으며, 제조 단가를 낮출 수 있는 질량 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다. The technical problem to be achieved by the present invention is to produce a sensor having a small and excellent high sensitivity characteristics using the elastic wave bulk wave resonator of the piezoelectric thin film, to increase the reproducibility and reliability of the manufacturing, and to reduce the manufacturing cost And a method for producing the same.
이러한 과제를 해결하기 위해 본 발명은 압전박막의 탄성체적파 공진기 기술을 이용한다.In order to solve this problem, the present invention utilizes a piezoelectric thin film acoustic wave resonator technique.
본 발명의 첫 번째 특징에 따른 질량 센서는, 기판의 상부에 임피던스 차이가 큰 산화막과 금속막을 일정 두께로 교대로 증착하여 형성된 브래그 반사층; 상기 브래그 반사층의 상부에 금속 박막을 증착하여 형성된 하부전극; 상기 하부전극의 상부에 압전 물질을 증착하여 공진 영역을 형성한 압전층; 상기 압전층의 상부에 일정 패턴을 갖는 금속 박막을 이용하여 신호선과 접지선이 형성되고, 상기 신호선은 상 하부전극에 전기적으로 연결되도록 하는 상부전극을 포함한다.Mass sensor according to the first aspect of the present invention, the Bragg reflection layer formed by alternately depositing an oxide film and a metal film having a large impedance difference on the upper portion of the substrate to a predetermined thickness; A lower electrode formed by depositing a metal thin film on the Bragg reflective layer; A piezoelectric layer formed by depositing a piezoelectric material on the lower electrode to form a resonance region; A signal line and a ground line are formed using a metal thin film having a predetermined pattern on the piezoelectric layer, and the signal line includes an upper electrode to be electrically connected to an upper lower electrode.
상기 브래그 반사층은, 실리콘 산화막(SiO2)과 텅스텐 박막이 교대로 다수 증착되는 것이 바람직하다.In the Bragg reflection layer, a plurality of silicon oxide films (SiO 2 ) and tungsten thin films are alternately deposited.
상기 브래그 반사층은, 상기 압전층의 공진 영역으로부터 상기 기판 쪽으로의 에너지 손실을 차단시키기 위해 임피던스가 서로 다른 복수개의 증착물질을 사용하는 것이 바람직하다.The Bragg reflective layer preferably uses a plurality of deposition materials having different impedances to block energy loss from the resonance region of the piezoelectric layer toward the substrate.
상기 하부 전극은, 상기 브래그 반사층의 상부면 전체에 상기 금속 박막을 증착한 제1 하부전극, 또는 상기 브래그 반사층의 상부면 일부에 상기 상부 전극의 신호선과 대칭되도록 상기 금속 박막을 증착한 제2 하부전극 중에서 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.The lower electrode may include a first lower electrode in which the metal thin film is deposited on the entire upper surface of the Bragg reflective layer, or a second lower electrode in which the metal thin film is deposited on a portion of the upper surface of the Bragg reflective layer so as to be symmetric with a signal line of the upper electrode. It is preferable to use any one of the electrodes.
상기 하부 전극은, 유동 접지(Floating ground) 역할을 수행하는 것이 바람직하다. The lower electrode preferably serves as a floating ground.
상기 압전층은, ZnO, AlN, PZT와 같은 압전 물질을 사용하는 것이 바람직하다.As the piezoelectric layer, piezoelectric materials such as ZnO, AlN, and PZT are preferably used.
상기 하부전극 및 상부전극은, Al, Co, W, Mo와 같은 금속 박막을 사용하는 것이 바람직하다.As the lower electrode and the upper electrode, metal thin films such as Al, Co, W, and Mo are preferably used.
상기 상부전극은, 상기 신호선과 하부전극간의 전위차, 또는 상기 신호선과 접지선간의 전위차인해 유발되는 공진 면적을 고려하여 상기 신호선, 및 상기 신호선 양쪽의 접지선을 일정 간격으로 배치하여 공면 도파관(Coplanar Waveguide) 형태로 형성되는 것이 바람직하다.The upper electrode has a coplanar waveguide shape by arranging the signal line and the ground lines on both sides of the signal line at predetermined intervals in consideration of a resonance area caused by a potential difference between the signal line and the lower electrode or a potential difference between the signal line and the ground line. It is preferable to form.
본 발명의 두 번째 특징에 따른 질량 센서의 제조 방법은, A) 기판의 상부에 서로 다른 임피던스를 갖는 산화막과 금속 박막이 교대로 다층 증착되어 브래그 반사층을 형성하는 단계; B) 상기 A) 단계에서 형성된 브래그 반사층의 상부에 금속 박막을 증착하여 하부전극을 형성하는 단계; C) 상기 B) 단계에서 형성된 하부전극의 상부에 압전물질을 증착하여 공진영역을 형성하는 압전층을 형성하는 단계; 및 D) 상기 C) 단계에서 형성된 압전층의 상부에 일정 패턴의 금속 박막을 이용하여 신호선과 접지선을 갖는 상부전극을 형성하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a mass sensor according to a second aspect of the present invention includes the steps of: A) alternately depositing an oxide film and a metal thin film having different impedances on top of a substrate to form a Bragg reflection layer; B) forming a lower electrode by depositing a metal thin film on top of the Bragg reflective layer formed in step A); C) depositing a piezoelectric material on the lower electrode formed in the step B) to form a piezoelectric layer to form a resonance region; And D) forming an upper electrode having a signal line and a ground line by using a metal thin film having a predetermined pattern on the piezoelectric layer formed in step C).
상기 A) 단계는, 상기 브래그 반사층은 RF/DC 마그네트론 스퍼터링(Magnetron Sputtering) 방식에 의해 형성되는 것이 바람직하다.In the step A), the Bragg reflective layer is preferably formed by an RF / DC magnetron sputtering method.
상기 A) 단계는, 상기 브래그 반사층의 결함을 제거하기 위해 열처리하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.Preferably, the step A) further includes a heat treatment to remove defects of the Bragg reflective layer.
상기 B) 단계는, 상기 RF/DC 마그네트론 스퍼터링(Magnetron Sputtering) 방식에 의해 상기 브래그 반사층의 상부면 전체에 제1 하부전극이 형성되는 것이 바람직하다.In the step B), the first lower electrode may be formed on the entire upper surface of the Bragg reflective layer by the RF / DC magnettron sputtering method.
상기 제1 하부전극은 유동 접지 역할을 수행하여, 상기 상부전극에서 신호선과 접지선의 전위차로 인한 측면전압 인가에 의해 공진이 유발되는 것이 바람직하다.It is preferable that the first lower electrode serves as a floating ground, so that resonance occurs by applying a side voltage due to a potential difference between the signal line and the ground line in the upper electrode.
상기 B) 단계는, 상기 RF/DC 마그네트론 스퍼터링(Magnetron Sputtering) 방식에 의해 상기 상부전극과 대칭되는 상기 브래그 반사층의 상부의 일부면에 제2 하부전극이 형성되는 것이 바람직하다.In the step B), it is preferable that a second lower electrode is formed on a portion of an upper surface of the Bragg reflective layer which is symmetrical with the upper electrode by the RF / DC magnetron sputtering method.
상기 제2 하부전극은 유동접지 역할을 수행하여, 상기 상부전극에서 신호선과 접지선의 전위차로 인한 측면 전압 인가에 의해 공진이 유발되고, 상기 상부전극의 신호선과 하부전극 간의 두께 전압 인가에 의해 공진이 유발되는 것이 바람직하다.The second lower electrode functions as a floating ground, so that resonance is induced by the side voltage applied by the potential difference between the signal line and the ground line in the upper electrode, and the resonance is caused by the application of the thickness voltage between the signal line and the lower electrode of the upper electrode. It is preferred to be induced.
상기 제2 하부전극은 상기 상부전극과 대응되는 부분만 공진 영역이 되도록 패터닝되는 것이 바람직하다.Preferably, the second lower electrode is patterned such that only a portion corresponding to the upper electrode becomes a resonance region.
상기 제2 하부전극은, 포토리소그래피로 상기 제2 하부전극 영역의 패턴을 정의하고, RF/DC 마그네트론 스퍼터링 방식에 의해 금속 박막을 증착한 후에, 리프트-오프(Lift-off) 방식으로 불필요한 포토레지시트를 제거하여 제작되는 것이 바람직하다.The second lower electrode defines a pattern of the second lower electrode region by photolithography, deposits a metal thin film by RF / DC magnetron sputtering, and then removes unnecessary photoresist in a lift-off manner. It is preferable to manufacture by removing a sheet.
상기 C) 단계는, RF/DC 마그네트론 스퍼터링 방식에 의해 압전물질을 증착하고, 증착 조건은 320W의 RF 전원, 10mtorr 압력, 25%의 산소 농도로 하는 것이 바람직하다.In the step C), the piezoelectric material is deposited by the RF / DC magnetron sputtering method, and the deposition conditions are preferably a RF power of 320 W, a 10 mtorr pressure, and an oxygen concentration of 25%.
상기 C) 단계는, 상기 기판을 챔버(CHAMBER) 내에 넣고, 상기 챔버 내부의 베이스 압력을 TMP(Turbo Molecular Pump)를 사용하여 2×10-6 torr 이하로 유지한 다음, 고순도의 반응 기체를 상기 챔버 내부로 흘려주고, 상기 압전 물질을 일정 시간 동안 상온에서 정해진 두께만큼 증착시키는 것이 바람직하다.In the step C), the substrate is placed in a chamber, the base pressure inside the chamber is maintained at 2 × 10 −6 torr or less using a turbo molecular pump (TMP), and then a high purity reaction gas is maintained. It is preferable to flow into the chamber and deposit the piezoelectric material by a predetermined thickness at room temperature for a predetermined time.
상기 D) 단계는, 상기 상부 전극 영역의 패턴을 포토리소그래피로 정의하고, RF/DC 마그네트론 스퍼터링 방식으로 금속박막을 증착한 후에, 리프트-오프 방식으로 불필요한 포토레지스트 패턴을 제거하여 신호선과, 상기 신호선의 양쪽에 접지선을 동시에 형성하는 것이 바람직하다.In the step D), the pattern of the upper electrode region is defined by photolithography, the metal thin film is deposited by RF / DC magnetron sputtering, and the signal line and the signal line are removed by removing the unnecessary photoresist pattern by the lift-off method. It is preferable to form the ground wire at both sides of the same time.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention. Like parts are designated by like reference numerals throughout the specification.
먼저, 본 발명의 제1 실시예에 따른 질량 센서에 대하여 도 1을 참고로 하여 상세하게 설명한다.First, a mass sensor according to a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 1.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 질량 센서의 구성을 도시한 것이다. 1 shows a configuration of a mass sensor according to a first embodiment of the present invention.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 질량 센서는 실리콘 기판(10), 브래그 반사층(Bragg reflector)(20), 하부전극(30), 압전층(40), 및 상부전극(50)을 포함한다.As shown in FIG. 1, the mass sensor according to the first embodiment of the present invention includes a silicon substrate 10, a Bragg reflector 20, a lower electrode 30, a piezoelectric layer 40, and an upper electrode. And 50.
실리콘 기판(10)은 대략 6000Å 두께의 열 산화막을 갖는 4인치 p 타입이다.The silicon substrate 10 is a 4 inch p type with a thermal oxide film approximately 6000 microns thick.
브래그 반사층(20)은 기판(10)의 상부에 임피던스 차이가 큰 두 물질이 교대로 증착된 다층 박막이고, 하부전극(30)은 유동 접지 역할을 수행하도록 브래그 반사층(20)의 상부에 금속박막을 증착하여 형성된다.The Bragg reflective layer 20 is a multilayer thin film in which two materials having high impedance difference are alternately deposited on the substrate 10, and the lower electrode 30 has a metal thin film on the Bragg reflective layer 20 to serve as a floating ground. It is formed by depositing.
압전층(40)은 공진영역을 형성하도록 하부전극(30)의 상부에 압전물질이 증착되어 형성되고, 상부전극(50)은 압전층(40)의 상부에 금속박막으로 신호선(51)과 접지선(52, 53)을 증착하여 형성한다.The piezoelectric layer 40 is formed by depositing a piezoelectric material on the lower electrode 30 to form a resonance region, and the upper electrode 50 is a metal thin film on the piezoelectric layer 40 with a signal line 51 and a ground line. (52, 53) are formed by evaporation.
이와 같이 구성되는 본 발명의 제1 실시예에 따른 질량센서의 제조 방법을 도 2 내지 도 4를 참고하여 설명하면 다음과 같다.The manufacturing method of the mass sensor according to the first embodiment of the present invention configured as described above will be described with reference to FIGS. 2 to 4.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 질량 센서의 제조 방법을 순서대로 나열한 것이다.2 to 4 list in order the manufacturing method of the mass sensor according to the first embodiment of the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 브래그 반사층(20)은 실리콘 기판(10)의 상부에 RF/DC 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering) 방식에 의해 각각 0.6㎛ 및 0.55 ㎛ 두께를 갖는 실리콘 산화막(SiO2)(21)과 텅스텐(W)(22) 박막을 교대로 4층을 적층시킨다.As shown in FIG. 2, the Bragg reflective layer 20 has a silicon oxide film (SiO 2 ) having a thickness of 0.6 μm and 0.55 μm, respectively, by RF / DC magnetron sputtering on top of the silicon substrate 10 ( 21) and tungsten (W) 22 thin films are alternately stacked.
브래그 반사층(20)은 압전 공진 영역으로부터 실리콘 기판 쪽으로 가능한 에너지 손실을 차단시키는 거울의 역할을 수행한다. The Bragg reflective layer 20 acts as a mirror to block possible energy losses from the piezoelectric resonance region towards the silicon substrate.
위에서, 브래그 반사층(20)은 물리적으로 실리콘 산화막(21)과 텅스텐 박막(22)이 증착되었으므로 박막의 계면 간에 포함되어 있는 결함들을 제거하기 위해 열처리(annealing) 과정을 거치게 된다. In the Bragg reflective layer 20, since the silicon oxide film 21 and the tungsten thin film 22 are physically deposited, the Bragg reflective layer 20 undergoes an annealing process to remove defects included between the thin film interfaces.
본 발명의 제1 실시예에서는 브래그 반사층(20)에 증착되는 물질을 실리콘 산화막(SiO2)과 텅스텐(W)을 대략 0.6 ㎛ 및 0.55㎛로 하고 있지만, 임피던스 차이가 큰 두개의 증착 물질을 사용할 수도 있다.In the first embodiment of the present invention, the silicon oxide film (SiO 2 ) and tungsten (W) are approximately 0.6 μm and 0.55 μm for the material deposited on the Bragg reflective layer 20, but two deposition materials having a large impedance difference are used. It may be.
이 경우에, 브래그 반사층(20)에 증착되는 증착물질의 두께는 제작되는 소자의 구조에 맞게 조절 가능하다.In this case, the thickness of the deposition material deposited on the Bragg reflective layer 20 can be adjusted according to the structure of the device to be manufactured.
이와 같이 다층으로 제작된 브래그 반사층(20)에 의해, 본 발명의 제1 실시예에 따른 질량 센서는 상부의 커패시터 구조의 FBAR가 지지를 받으므로 SMR(Solidly Mounted Resonator) 타입이라고 한다.As described above, the mass sensor according to the first embodiment of the present invention is referred to as a solid-mounted resonator (SMR) type because the FBAR of the upper capacitor structure is supported by the Bragg reflective layer 20 fabricated as a multilayer.
한편, 하부전극(30)이 브래그 반사층(20)의 상부에 반무한(semi-infinite)한 효과를 줄 수 있는 유동 접지(floating ground) 역할을 수행하도록 RF/DC 마그네트론 스퍼터링 방식에 의해 금속 박막을 증착한다. Meanwhile, the metal thin film may be formed by RF / DC magnetron sputtering so that the lower electrode 30 serves as a floating ground that may have a semi-infinite effect on the upper portion of the Bragg reflective layer 20. Deposit.
이러한 하부전극(30)으로 인해, 상부전극(50)에서 신호선(51)과 접지선(52, 53)의 전위차에 의해 전기장이 측면 방향(Lateral Field Excitation) 인가되고, 이 전위차는 압전체 내부에 체적 탄성파를 발생시켜 공진을 일으키므로, 질량 센서는 단일 공진 주파수 특성이 나타낸다. Due to the lower electrode 30, the electric field is applied to the lateral direction (Lateral Field Excitation) by the potential difference between the signal line 51 and the ground lines 52 and 53 in the upper electrode 50, and the potential difference is a volume acoustic wave inside the piezoelectric body. By generating the resonance, the mass sensor exhibits a single resonance frequency characteristic.
도 3에 나타나 있듯이, 압전층(40)은 RF/DC 마네트론 스퍼터링 방식에 의해 압전물질을 증착하는데, 압전물질로 ZnO를 사용하는 것이 바람직하다. As shown in FIG. 3, the piezoelectric layer 40 deposits a piezoelectric material by RF / DC mannetron sputtering, and it is preferable to use ZnO as the piezoelectric material.
압전물질로 ZnO를 사용하는 경우에, 증착 조건은 320W의 RF 전원, 압력은 10 mtorr, 25%의 산소(O2) 농도로 하는 것이 바람직하다.In the case of using ZnO as a piezoelectric material, the deposition conditions are preferably 320W of RF power, pressure of 10 mtorr, and 25% oxygen (O 2 ) concentration.
이때, ZnO의 타겟(target)은 지름 4인치, 두께 1/8인치, 순도는 99.999%의 제품을 사용한다. At this time, the target of ZnO uses a product of diameter 4 inches, thickness 1/8 inches, purity 99.999%.
FBAR 소자는 탄성파를 발생시키는 압전층의 품질이 가장 중요하므로, 압전물질을 증착하기 전에 가능한 한 챔버(chamber) 내부의 많은 불순물을 제거하기 위해 TMP(Turbo Molecular Pump)를 사용하여 베이스 압력을 2×10-6 torr 이하로 유지하고, 고 순도의 반응 기체를 챔버 내부로 흘려준다.Since the quality of the piezoelectric layer that generates the acoustic wave is of the utmost importance, the FBAR device uses a turbo molecular pump (TMP) to remove as much impurities inside the chamber as possible before depositing the piezoelectric material. Maintain below 10 -6 torr and flow high purity reaction gas into the chamber.
그 후, ZnO 박막은 대략 113분 동안 상온에서 실리콘 기판(10) 상에서 1.5 ㎛의 두께로 증착되어 압전층(40)을 형성한다. Thereafter, the ZnO thin film is deposited to a thickness of 1.5 탆 on the silicon substrate 10 at room temperature for approximately 113 minutes to form the piezoelectric layer 40.
이때, 압전층(40)의 균일성을 위해 6rpm으로 실리콘 기판(10)이 회전하고 기판(10)과 타겟 간의 거리는 6.5 cm 정도로 유지하는 것이 바람직하다.At this time, the silicon substrate 10 is rotated at 6 rpm for uniformity of the piezoelectric layer 40 and the distance between the substrate 10 and the target is preferably maintained at about 6.5 cm.
하부전극(30)은 대략 0.13㎛ 두께의 얇은 금속 전극 막, 압전층(40)은 대략 1.5㎛ 두께를 갖고, 이러한 하부전극(30) 및 압전층(40)은 평행 판 커패시터 구조로 형성된다.The lower electrode 30 has a thin metal electrode film having a thickness of approximately 0.13 μm, and the piezoelectric layer 40 has a thickness of approximately 1.5 μm. The lower electrode 30 and the piezoelectric layer 40 have a parallel plate capacitor structure.
도 4에 도시된 바와 같이, 상부전극(50)은 CPW(Coplanar Waveguide) 구조로 제작하기 위해 포토리소그래피로 상부전극 영역의 패턴을 정의하고, RF/DC 마그네트론 스퍼터링 방식에 의해 금속 박막을 증착한 후에, 리프트 오프 (lift-off) 방식으로 불필요한 포토레지스트 패턴을 제거하여 신호선(51)과 신호선 양쪽의 접지선(52, 53)을 동시에 형성한다.As shown in FIG. 4, the upper electrode 50 defines a pattern of the upper electrode region by photolithography to fabricate a CPW (Coplanar Waveguide) structure, and deposits a metal thin film by RF / DC magnetron sputtering. By removing the unnecessary photoresist pattern in a lift-off manner, the signal lines 51 and the ground lines 52 and 53 of both the signal lines are formed at the same time.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 질량 센서의 구성을 도시한 평면도이다.5 is a plan view showing a configuration of a mass sensor according to a second embodiment of the present invention.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 질량 센서는 상기한 제1 실시예의 구성과 유하지만 상부전극의 구조가 달라진다.As shown in FIG. 5, the mass sensor according to the second embodiment of the present invention is similar to the configuration of the first embodiment, but the structure of the upper electrode is different.
제1 실시예에서는 상부전극(50)의 신호선(51) 길이가 접지선(52, 53)의 길이가 거의 동일하지만, 제2 실시예에서는 신호선(61)이 신호선(61)과 멀리 떨어진 활성영역(70)까지 도달하도록 접지선(62, 63)보다 길게 형성되어 있다.In the first embodiment, the length of the signal line 51 of the upper electrode 50 is almost the same as that of the ground lines 52 and 53. However, in the second embodiment, the signal line 61 is separated from the signal line 61 in the active region ( It is formed longer than the ground wires 62 and 63 so as to reach 70).
이와 같은 상부 전극(60)의 구조는 상부전극(60) 위로 놓이는 분석 물질로 인해 신호선(61)과 접지선(62, 63)이 쇼트(short) 되는 경우를 방지하기 위해 활성영역(70)과 하부전극(30)의 겹침으로 인해 발생되는 공진 면적 상에 분석물질이 놓이더라도 신호선과 접지선에 아무런 영향이 없도록 한다.The structure of the upper electrode 60 may prevent the signal line 61 and the ground lines 62 and 63 from shorting due to the analyte disposed on the upper electrode 60. Even if the analyte is placed on the resonance area generated by the overlap of the electrodes 30, there is no effect on the signal line and the ground line.
이때, 공진면적과 상부전극(60)의 패턴 간격은 적절하게 조절 가능하다.At this time, the resonance area and the pattern interval of the upper electrode 60 can be appropriately adjusted.
이하, 본 발명의 제3 실시예에 따른 질량 센서를 첨부한 도면을 참고하여 설명한다. Hereinafter, a mass sensor according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 제1 실시예에서는 하부전극이 브래그 반사층의 상부면 전체에 걸쳐 형성되어 있지만, 이와는 달리 하부전극(31)을 유한한 크기의 면정이 정의되도록 패터닝하여 형성할 수도 있다. In the first embodiment of the present invention, the lower electrode is formed over the entire upper surface of the Bragg reflective layer. Alternatively, the lower electrode 31 may be formed by patterning the fin to define a finite size.
아래에서는 이러한 실시예에 대하여 도 6 내지 도 9을 참조하여 상세하세 설명한다. Hereinafter, such an embodiment will be described in detail with reference to FIGS. 6 to 9.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 질량 센서의 제조 방법을 순서대로 나열한 것이다.6 to 9 list the manufacturing method of the mass sensor according to the third embodiment of the present invention in order.
도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 질량센서는 하부전극(31)을 제외하고 제1 실시예와 동일한 구조를 가진다. As shown in FIG. 6, the mass sensor according to the third embodiment of the present invention has the same structure as the first embodiment except for the lower electrode 31.
자세하게 설명하면, 도 6에 도시된 바와 같이, 하부전극(31)이 포토리소그래피에 의해서 패터닝되어 유한한 크기를 갖게 되는데, 결과적으로 상부전극(70)과 오버랩(overlap) 되는 부분이 형성되어 공진 영역을 정의하게 된다.In detail, as shown in FIG. 6, the lower electrode 31 is patterned by photolithography to have a finite size. As a result, a portion overlapping the upper electrode 70 is formed to form a resonance region. Will be defined.
이러한 구조의 하부전극(31)으로 인해, 상부전극(70)의 신호선과 접지선에 의한 측면 전압 인가(Lateral Field Excitation), 및 상부전극(70)의 신호선과 하부전극(31) 간의 두께 전압 인가(Thickness Field Excitation)에 의해 유발된 탄성파들이 결합되어 이중 공진을 유발시키게 된다.Due to the lower electrode 31 of this structure, the application of the side voltage by the signal line and the ground line of the upper electrode 70 (Lateral Field Excitation), and the application of the thickness voltage between the signal line and the lower electrode 31 of the upper electrode 70 ( The acoustic waves induced by the thickness field excitation are combined to cause double resonance.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 하부전극(31)은 상부전극(70)과 겹쳐지는 부분만 공진영역이 되도록 포토리소그래피로 하부전극 영역의 패턴이 정의되고, RF/DC 마그네트론 스퍼터링 방식에 의해 금속 박막을 증착한 후에, 리프트 오프 (lift-off) 방식으로 불필요한 포토레지스트를 제거하여 제작된다. As shown in FIGS. 7 and 8, the lower electrode 31 is defined by photolithography so that only the portion overlapping the upper electrode 70 becomes a resonance region, and the RF / DC magnetron sputtering method is defined. After the deposition of the metal thin film by the removal, it is produced by removing the unnecessary photoresist in a lift-off (lift-off) method.
고 9에 나타나 있듯이, 하부전극(31)은 상부전극(70)의 신호선과의 겹침 (overlap)에 의해 공진 영역이 형성되도록 신호선과 대칭적인 모양으로 형성되는 것이 바람직하다. As shown in Fig. 9, the lower electrode 31 is preferably formed in a symmetrical shape with the signal line so that the resonance region is formed by overlapping the signal line of the upper electrode 70.
이와 같은 구조의 질량 센서는, 상부전극(70)은 유한 접지 형태의 CPW의 신호선과 접지선의 전위차가 발생하여 측면 전압 인가(Lateral Field Excitation)로 인한 전단 모드 전기장(shear mode Electric field), 및 신호선과 유한 면적을 갖는 하부전극(31)간의 전위차가 발생하여 종단 모드 전기장이 커플링되어 이중 공진을 유발시키게 된다. In the mass sensor having such a structure, the upper electrode 70 has a potential mode difference between the signal line and the ground line of the CPW having a finite ground form, and thus, a shear mode electric field due to the Lateral Field Excitation, and the signal line. And a potential difference between the lower electrode 31 having a finite area and the termination mode electric field are coupled to cause a double resonance.
이러한 이중 공진 모드 특성을 갖는 질량 센서는 소자의 민감도 (sensitivity)가 작은 경우라면 로딩 효과에 의한 주파수 변화를 명확하게 관찰하는데 도움이 된다. The mass sensor having the dual resonance mode characteristic helps to clearly observe the frequency change due to the loading effect when the sensitivity of the device is small.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 질량 센서의 구성을 도시한 평면도이다.10 is a plan view showing the configuration of a mass sensor according to a fourth embodiment of the present invention.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 질량 센서는 상기한 제1 내지 제3 실시예와 달리 유한 크기의 면적이 정의되는 하부 전극(32)의 상부에 압전층(40), 압전층(40) 위에 하부전극(32)과 겹쳐지도록 상부전극(80)의 신호선이 형성된다.As shown in FIG. 10, the mass sensor according to the fourth embodiment of the present invention has a piezoelectric layer 40 on the upper portion of the lower electrode 32 in which a finite size area is defined, unlike the first to third embodiments. ), A signal line of the upper electrode 80 is formed on the piezoelectric layer 40 so as to overlap the lower electrode 32.
본 발명의 제4 실시예에 따른 상부전극(80)은 상기한 제2 및 제3 실시예의 상부전극에서 변형된 형태를 갖는데, 이외에도 상부전극과 하부전극은 다양한 형태로 제조 가능하다.The upper electrode 80 according to the fourth embodiment of the present invention has a shape modified from the upper electrodes of the second and third embodiments. In addition, the upper electrode and the lower electrode may be manufactured in various forms.
이와 같이, 본 발명의 실시예는 광학에서의 Fabry-Perot 간섭계(interferometer) 역할을 하는 브래그 반사층, 평행 판 커패시터 구조의 하부전극과 압전층이 형성된 SMR(Solidly Mounted Resonator) 타입의 FBAR를 이용함으로써, 반도체 공정에 의해서 초소형이고, 신뢰성 및 재현성 있는 소자를 제작할 수 있으며, 대량생산에 의해 제조단가를 낮출 수 있고 시스템으로 집적화가 가능한 초고감도 센서를 제조할 수 있다. As described above, the embodiment of the present invention uses a Bragg reflection layer serving as a Fabry-Perot interferometer in optics, a solid-mounted resonator (SMR) type FBAR in which a lower electrode of a parallel plate capacitor structure and a piezoelectric layer are formed. It is possible to manufacture an ultra-small, reliable and reproducible device by the semiconductor process, and to reduce the manufacturing cost by mass production and to produce an ultra-sensitive sensor that can be integrated into a system.
이와 같이, 본 발명의 실시예에서는 GHz 대역에서 동작하는 FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator)를 이용하므로 기존의 수정 공진기를 이용한 QC (Quartz Crystal Microbalance) 소자에 비하여 105 이상의 큰 등급순(order of magnitudes)을 갖는다.As described above, the embodiment of the present invention uses a FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) that operates in the GHz band, so that orders of magnitudes of 10 5 or more are larger than those of a QC (Quartz Crystal Microbalance) device using a conventional crystal resonator. Has
이렇게 제조된 본 발명에 의한 질량 센서는 적절한 생리활성 물질의 도입을 통해 바이오센서로도 응용이 가능하다.The mass sensor according to the present invention prepared as described above can be applied as a biosensor through the introduction of a suitable bioactive substance.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 그 외의 다양한 변경이나 변형이 가능하다. Although the preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited thereto, and various other changes and modifications are possible.
이와 같이, 본 발명에 의한 질량 센서 및 그 제조 방법은 기판 상에 임피던스 차이가 큰 물질을 교대로 증착하여 브래그 반사층을 형성한 후에 금속 박막의 상부 전극과 하부 전극 사이에 압전층을 형성한 탄성체적파 공진기를 이용하여 소형이면서, 우수한 고감도 특성을 갖는 센서를 제조할 수 있는 효과가 있다. As described above, the mass sensor and the method of manufacturing the same according to the present invention form a Bragg reflection layer by alternately depositing a material having a large impedance difference on a substrate, and then forming a piezoelectric layer between the upper electrode and the lower electrode of the metal thin film. It is effective to manufacture a sensor having a small size and excellent high sensitivity using a resonator.
또한, 본 발명에 의한 질량 센서 및 그 제조 방법은 반도체 공정을 적용하여 소자의 소형화, 제작이 재현성 및 신뢰성을 높일 수 있고, 제조 단가를 낮출 수 있는 효과도 있다. In addition, the mass sensor and the manufacturing method according to the present invention can be applied to a semiconductor process to reduce the size and fabrication of the device to increase the reproducibility and reliability, and also to reduce the manufacturing cost.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 질량 센서의 구성을 도시한 것이다.1 shows a configuration of a mass sensor according to a first embodiment of the present invention.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 질량 센서의 제조 방법을 순서대로 나열한 것이다.2 to 4 list in order the manufacturing method of the mass sensor according to the first embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 질량 센서의 구성을 도시한 평면도이다.5 is a plan view showing a configuration of a mass sensor according to a second embodiment of the present invention.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 질량 센서의 제조 방법을 순서대로 나열한 것이다.6 to 9 list the manufacturing method of the mass sensor according to the third embodiment of the present invention in order.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 질량 센서의 구성을 도시한 평면도이다.10 is a plan view showing the configuration of a mass sensor according to a fourth embodiment of the present invention.
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