KR101073633B1 - 플렉서블 센서 제조방법, 이에 따라 제조된 플렉서블 센서 - Google Patents
플렉서블 센서 제조방법, 이에 따라 제조된 플렉서블 센서 Download PDFInfo
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Abstract
플렉서블 센서 제조방법, 이에 따라 제조된 플렉서블 센서가 제공된다.
본 발명에 따른 플렉서블 센서 제조방법은 실리콘 기판 상에 소스, 드레인 영역을 형성하고, 상기 소스, 드레인 영역을 포함하는 소자 형성 영역을 플렉서블 기판에 전사시키는 단계; 상기 소자 형성 영역 상에 소스, 게이트, 드레인 전극을 형성하는 단계; 상기 게이트 전극으로부터 연장되며, 상기 게이트 전극보다 높은 높이의 게이트 전극 패드를 형성하는 단계; 및 상기 게이트 전극 패드에 압전소자를 형성하는 단계를 포함하며, 본 발명에 따른 압력 및 온도 센서는 플렉서블 기판 상에 구현되므로, 압전소자 제조 공정에 따른 기판의 한계를 효과적으로 극복하였다. 또한, 고성능 반도체 소자를 하나 이상 제조한 후, 이를 플렉서블 기판에 전사시키는 방식에 의하여 센서를 제조하므로, 경제성이 우수하다. 더 나아가, 하나 이상의 센서를 플렉서블 기판 상에 경제적으로 제조할 수 있는 본 발명은 센서의 검출영역을 크게 넓힐 수 있으며, 또한 본 발명에 따른 플렉서블 센서는 실제 압력이 인가되는 게이트 전극 패드를 다른 전극보다 높게 구성함으로써, 압력 인가에 따른 작동 오류를 효과적으로 저감시킬 수 있다.
Description
본 발명은 플렉서블 센서 제조방법, 이에 따라 제조된 플렉서블 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판의 한계를 효과적으로 극복할 수 있고, 또한, 고성능 반도체 소자를 하나 이상 제조한 후, 이를 플렉서블 기판에 전사시킨 후, 그 위에 다시 고성능 압전 소자 등을 전사하는 방식에 의하여 센서를 제조하므로, 경제성이 우수한 고성능, 고감도의 플렉서블 센서 제조방법, 이에 따라 제조된 플렉서블 센서에 관한 것이다.
압전소자란 압전기(壓電氣) 현상을 나타내는 소자를 의미한다. 상기 압전 소자는 피에조 전기소자라고도 하며, 수정, 전기석, 로셸염 등이 일찍부터 압전소자로서 이용되었으며, 근래에 개발된 지르코늄산납, 타이타늄산바륨(BaTiO3, 이하 BTO), 인산이수소암모늄, 타타르산에틸렌다이아민 등의 인공결정도 압전성이 뛰어나며 도핑을 통해 더 뛰어난 압전특성을 유도 할 수 있게 된다. 그러나, 이 중에서 압전 성질이 가장 좋은 물질은 지르코늄산납과 BTO 압전재료이며, 환경문제로 인해 납이 들어있는 지르코늄산납에서 점차 BTO로 대체되는 추세이다. 또한, 유기 폴리머인 PVDF (Polyvinylidene fluoride), PEN (Polyethylene naphthalate)와 PP (Polypropylene) 등이 압전 특성과 플렉서블한 고유특성으로 인해 플렉서블한 압전 소자로 널리 사용되고 있다. 그러나, 폴리머 압전재료는 매우 낮은 유전상수와 낮은 큐리점을 가지고 있어 압전특성은 떨어지며 낮은 온도에서 압전특성이 사라지게 된다.
여기에서, 압전기란 어떤 종류의 결정판(結晶板)에 일정한 방향에서 압력을 가하면 판의 양면에 외력에 비례하는 양·음의 전하가 나타나는 현상을 의미하며, 특히, 한 장의 결정판에 나타나는 압전기는 미약하지만 금속박을 삽입하면서 여러 장을 겹칠 경우 그 양이 크게 증대한다.
여기에서 예시하는 센서 중 하나인 압력 센서는 상기 압전소자의 압전기 효과를 이용하여, 압력의 유무 및 그 압력 정도를 반도체를 이용하여 정량적으로 측정하는 센서이다. 특히 센서는 민감도, 속도, 선택성이 매우 중요한 요소이다. 하지만, 기판, 특히 플렉서블 기판 상에 센서를 달성하기 위해서는 플렉서블 기판 상에서 고성능 반도체와 고성능 압전체간의 유기적인 결합을 이루어야 한다. 하지만, 종래의 압력 센서는 압전 소자의 고온 소결 공정이 진행되어야 하므로, 플라스틱과 같은 플렉서블 기판상에 제조하기는 매우 어렵다는 문제가 있다. 또한 플렉서블 기판 상에 반도체 소자를 만들고자 연구되는 유기반도체 및 카본 나노튜브는 유효이동도가 각각 1cm2/V·s, 5cm2/V·s에 불과해 민감도가 요구되는 센서에는 부적합하며, 소자들간의 균일성이 떨어져 상품화에는 많은 어려움이 존재한다.
플렉서블 소자의 저성능 문제점을 해결할 수 있는 새로운 방법으로 인쇄 가능한 마이크로스트럭쳐 반도체 (μs-Sc)가 2004년 일리노이 공대에서 발명되었다.(Appl. Phys. Lett. 84, 5398, 2004) 상기 방법은 소자 성능이 뛰어난 단결정 실리콘을 벌크 실리콘 기판으로부터 직접 뜯어낸 후(μs-Sc) 소프트 리소그래피를 이용해 유연한 기판에 옮기는 기술이다. 단결정 μs-Sc 반도체를 플라스틱 기판에 전사하여 만든 소자는 현재까지 존재하는 유연 전자소재 중 가장 뛰어난 전기적 성능(유효 이동도 > 500cm2/V·s)을 보여주고 있다. (IEEE Elec. Dev. Lett., 27, 460, 2006). 하지만, 상기 기술은 플렉서블 기판에 고성능 압전체를 이용한 압력 센서의 제조 공정에 적용되기에는 부족하며, 특히 압전현상이 가장 뛰어날 지르코늄산납 또는 BTO를 압력 센서로 활용하기에는 온도와 같은 공정상의 어려움이 존재한다.
또한 강유전체의 특성을 나타내는 압전재료들은 초전기성 (pyroelectricity)을 나타낸다. 이 특성은 재료에 열이 가해지면 결정체 내의 자발분극의 크기가 변하고, 이로 인해 표면에 전기전하가 나타나는 현상을 말한다. 전기전하의 변하에 따라 전류가 흐르게 되고, 이를 측정함으로서 온도를 측정할 수 있게 된다. 그때의 전류는 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.
여기서 A는 압전재료의 단면적, P는 초전계수 이다.
즉, 압전재료인 BTO는 상온에서 -26μm/cm-2의 자발분극 값을 가지며 온도 증가에 따라 자발분극 크기는 작아지게 되고, 큐리온도 이상에서는 0이 된다. 이러한 초전기성 특성을 지닌 강유전재료에 온도 변화를 주게 되면, 온도 변화에 따라 달라지는 전류를 측정할 수 있으며, 이로써 센서 중 온도 센서로 기능할 수 있다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고성능 압전소자와 단결정 μs-Sc를 이용한 새로운 플렉서블 센서의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 고성능 압전소자와 단결정 μs-Sc를 이용한 새로운 센서를 제공하는 데 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 실리콘 기판상에 소스, 드레인 영역을 형성하고, 상기 소스, 드레인 영역을 포함하는 소자 형성 영역을 플렉서블 기판에 전사시키는 단계; 상기 소자 형성 영역 상에 소스, 게이트, 드레인 전극을 형성하는 단계; 상기 게이트 전극으로부터 연장되며, 상기 게이트 전극보다 높은 높이의 게이트 전극 패드를 형성하는 단계; 및 상기 게이트 전극 패드에 압전소자를 형성하는 단계를 포함하는 플렉서블 압력센서 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 압전 소자는 상기 게이트 전극 패드 상에 적층된 접착층; 상기 접착층 상의 압전재료층; 및 상기 압전재료층 상의 상부 전극으로 이루어지며, 상기 소자 형성 영역은 실리콘 기판상에 하나 이상 형성되어, 플렉서블 기판상에 전사되는데, 이때 상기 전사는 하나의 PDMS에 의하여 단일 공정으로 진행될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에서 상기 압전재료층 및 상부 전극은 또 다른 기판 상에 제조, 분리된 후, 전사될 수 있으며, 본 발명은 상술한 방법에 의하여 제조된 플렉서블 압력센서를 제공한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 실리콘 기판 상에 소스, 드레인 영역을 형성하는 단계; 상기 실리콘 기판 상에 제 1 절연막을 적층하는 단계; 상기 제 1 절연막을 선택적으로 식각하여, 상기 실리콘 기판을 노출시킴으로써 상기 소스, 드레인 영역을 포함하는 소자 형성 영역을 정의하는 단계; 상기 제 1 절연막을 통하여 노출된 실리콘 기판을 비등방식각하는 단계; 상기 실리콘 기판으로부터 상기 비등방 식각된 소자 형성 영역을 PDMS에 의하여 플렉서블 기판으로 전사시키는 단계; 상기 플렉서블 기판 상에 소스, 게이트, 드레인 전극을 형성하는 단계; 상기 소스, 게이트, 드레인 전극 상에 제 2 절연막을 적층한 후, 패터닝하여 상기 게이트 전극의 일부를 노출시키는 단계; 상기 제 2 절연막상에 금속층을 적층한 후, 패터닝함으로써 상기 게이트 전극으로부터 연장되며, 상기 게이트 전극보다 높은 높이의 게이트 전극 패드를 형성하는 단계; 상기 게이트 전극 패드 상에 압전 소자를 형성하는 단계; 및 상기 기판상에 제 3 절연막층을 적층하는 단계를 포함하는 플렉서블 압력센서 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 압전 소자는 상기 게이트 전극 패드 상에 적층된 접착층; 상기 접착층 상의 압전재료층; 및 상기 압전재료층 상의 상부 전극으로 이루어진 것을 특징으로 하는 플렉서블 압력센서 제조방법을 제공하며, 상기 압전 소자 형성 후, 제 3 절연막 층을 적층한 후, 상기 제 3 절연막 층을 평탄화하는 단계; 상기 압전소자 상의 제 3 절연막 층을 식각하여, 상기 상부 전극을 노출시키는 단계; 및 상기 상부 전극 및 상기 제 3 절연막층 상에 전극층을 형성하는 단계 를 더 포함할 수 있다. 상기 소자 형성 영역은 실리콘 기판상에 하나 이상 형성되어, 플렉서블 기판 상에 전사된다. 또한, 상기 전사는 하나의 PDMS에 의하여 단일 공정으로 진행될 수 있으며, 상기 압전재료층 및 상부 전극은 또 다른 기판 상에 제조, 분리된 후, 전사될 수 있으며, 상기 압전재료층은 BTO, PZT, PLZT, Bi4Ti3O12 중 어느 하나를 포함하거나, 또는 PVDF, PEN, PP 중 어느 하나인 유기 폴리머를 포함할 수 있다. 본 발명은 또한 상기 방법에 의하여 제조된 플렉서블 압력센서를 제공한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 플렉서블 기판; 상기 플렉서블 기판 상에 형성된 실리콘 기판; 상기 기판 상에 형성된 소스, 드레인, 게이트 전극; 상기 게이트 전극으로부터 연장되며, 상기 게이트 전극보다 높은 높이의 게이트 전극 패드; 및 상기 게이트 전극 패드 상에 구비된 압전 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 압력센서를 제공하며, 이때 상기 게이트 전극과 게이트 전극 패드 사이에는 절연막이 구비된다. 또한, 상기 압전 소자는 상기 게이트 전극 패드 상에 적층된 접착층; 상기 접착층 상의 압전재료층; 및 상기 압전재료층 상의 상부 전극으로 이루어지며, 본 발명은 상기 플렉서블 압력센서를 플렉서블 기판 상에 적어도 하나 이상 구비하는 플렉서블 압력센서 시스템을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 압전재료층은 BTO, PZT, PLZT, Bi4Ti3O12 중 어느 하나를 포함하거나, 또는 PVDF, PEN, PP 중 어느 하나인 유기 폴리머를 포함할 수 있다
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 플렉서블 기판; 상기 플렉서블 기 판 상에 형성된 실리콘 기판; 상기 기판 상에 형성된 소스, 드레인, 게이트 전극; 상기 드레인 전극으로부터 연장되며, 상기 드레인 전극보다 높은 높이의 드레인 전극 패드; 및 상기 드레인 전극 패드 상에 구비된 압전 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 온도 및 압력 센서를 제공하며, 상기 압전 소자는 상기 드레인 전극 패드 상에 적층된 접착층; 상기 접착층 상의 압전재료층; 및 상기 압전재료층 상의 상부 전극으로 이루어지며, 상기 압전재료층은 BTO, PZT, PLZT, Bi4Ti3O12 중 어느 하나를 포함하거나, 또는 PVDF, PEN, PP 중 어느 하나인 유기 폴리머를 포함할 수 있다
본 발명에 따른 센서는 플렉서블 기판 상에 구현되므로, 압전소자 제조 공정에 따른 기판의 한계를 효과적으로 극복하였다. 또한, 고성능 반도체 소자를 하나 이상 제조한 후, 이를 플렉서블 기판에 전사시키는 방식에 의하여 센서를 제조하므로, 성능 및 경제성이 우수하다. 더 나아가, 적어도 하나 이상의 센서를 플렉서블 기판 상에 경제적으로 제조할 수 있는 본 발명은 센서의 감지 영역의 크기를 크게 넓힐 수 있으며, 또한 실제 압력, 온도 등이 인가되어야 하는 게이트 전극, 또는 드레인 전극 패드를 다른 전극보다 높게 구성함으로써, 압력 인가 등에 따른 작동 오류를 효과적으로 저감시킬 수 있다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되 는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
또한, 본 명세서에 첨부된 도면은 모두 전체 평면도 및 부분 단면(A-A', B-B', 또는 C-C')을 절개한 단면도의 형식으로 해석된다.
본 발명은 상술한 바와 같이 실리콘 기판 상에서 제조된 후 플렉서블 기판에 전사된 게이트 전극 상에 BTO 압전소자를 또 다시 전사시키는 방식으로 제조된, 새로운 구조의 플렉서블 압전소자를 제조한다. 본 발명에서 사용되는 "플렉서블(flexible)" 이라는 용어는 딱딱한(rigid) 특성을 갖는 실리콘 기판 등과 구별되는 용어로서, 플라스틱 기판 등과 같이 기판이 일정각도로 휘어지거나, 접혀질 수 있는 특성을 모두 포함하는 용어이다.
본 발명은 실리콘 기판 상에 트랜지스터의 소스, 드레인 영역을 미리 형성한 후, 상기 소스, 드레인 영역을 포함하는 소자 형성 영역을 플렉서블 기판에 전사시키게 된다. 상기 전사는 상기 소자 형성 영역의 외부의 실리콘 기판, 외부의 하부 실리콘 기판을 비등방 식각한 후, 이를 다시 PDMS와 같은 스탬프를 이용하여 분리하고, 다시 플렉서블 기판에 옮기는 방식에 의하여 수행된다. 이후, 플렉서블 기판 상에서 트랜지스터의 소스, 게이트, 드레인 전극이 형성되는데, 본 발명은 특히 상기 전극으로부터 수직, 수평 연장되는 전극 패드 및 상기 전극 패드 상에 전사, 형 성된 압전소자를 포함하는 구조의 압력센서를 제공한다. 본 발명에서 상기 전극은 드레인 전극 또는 게이트 전극일 수 있으며, 특히 게이트 전극인 경우, 압력소자에 인가되는 압력에 의하여 발생하는 전위차를, 드레인 전극의 경우 압력소자에 인가되는 압력 또는 온도 변화에 따른 저항변화를 이용하여, 압력 또는 온도를 검출하게 된다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 게이트 전극 패드 상에 제 2 접착층(240)이 형성되고(도 13 참조), 상기 제 2 접착층 상부에 압전재료층(210)과 상부 전극(220)이 순차적으로 적층되는데, 본 발명은 특히 상기 압전재료로서 BTO를 사용하는 압전소자를 또 다른 전사방식으로 구현하는데, 이하 도면을 이용하여 상세히 설명한다.
압전 재료인 BTO의 압전 특성을 살펴보면 압전 계수(piezoelectric coefficient(d))는 190pC/N 수준으로, 이는 1Pa의 압력를 가하면 190pC/m2정도의 분극이 발생하는 것을 의미한다. 일반적으로 손가락이 주는 압력은 2kPa 수준인데, 이 경우 하기 수학식에 의하면 80mV의 기전력이 발생하는 것을 알 수 있으며, 이 정도 수준의 기전력에 의하여 게이트 전극의 전압특성이 변화하며, 본 발명은 이러한 특성을 압전 센서에 이용한다.
이하, 도면을 이용하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 하지만, 하기의 도면은 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
도 1은 실리콘 기판에 소스-드레인 영역을 형성하는 공정을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 실리콘 기판(100)에 반도체 소자를 제조하기 위한 소스-드레인 영역 (110)을 형성한다. 상기 소스-드레인 영역은 게이트 전극이 형성되는 영역을 사이에서 서로 대향하는 구조이며, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 소스-드레인 영역이 실리콘 기판상에 하나 이상 구비된다. 상기 소스-드레인 형성 공정을 살펴보면, 먼저 포토 레지스트를 상기 기판(100)상에 적층한 후, 이를 패터닝하여, 상기 소스-드레인 영역만을 노출시키고, 노출된 상기 소스-드레인 영역에 불순물인 도판트를 주입한 후, 어닐링하여 소스-드레인 영역(110)을 형성한다.
도 2는 상기 소스-드레인 영역 형성 후 상기 실리콘 기판(100)상에 절연막(120)을 형성하는 공정을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 소스-드레인 영역이 형성된 기판(100)상에 제 1 절연막(120), 예를 들면 질화막(SiN)을 형성한다. 이어서, 기판(200)의 전면에 적층된 제 1 절연막(120) 상에 포토레지스트를 적층하고, 이를 마스크 노광한 후, 다시 현상함으로써, 상기 제 1 절연막(120)을 패터닝하게 된다. 상기 절연막 패터닝에 의하여 소스-게이트 영역을 포함하는 소자 형성 영역의 경계영역의 절연막이 식각되어, 실리콘 기판이 노출되고, 이로써 소자 형성 영역이 정의된다. 여기에서 소자 형성 영역은 실리콘 기판으로부터 분리, 플렉서블 기판으로 전사되고, 이후 소스, 게이트, 드레인 전극이 적층됨으로써 완성되는 단위 소자의 실리콘 기판 영역을 의미하며, 상기 실리콘 기판 영역 상에 형성된 임의의 다른 모든 구성도 모두 상기 소자 형성 영역에 포함되는 것으로 간주된다.
상기 제 1 절연막(120)은 소자 형성 영역 상의 절연막(120a)과 상기 소자 형성 영역이 아닌 기판 영역의 절연막(120b)으로 구분되며, 이때 상기 두 절연막은 서로 연결된다.
상기 공정 후 상기 절연막(120) 형성 후 노출된 기판(100)은 소정 깊이만큼 제 1 식각되어, 제 1 트렌치 구조가 형성된다. 이후, 상기 제 1 트렌치에 의하여 노출된 소자 측면에 스페이서(130)가 형성된다(도 3 참조). 본 발명의 일 실시예에서는 상기 스페이서(130)로 질화막이 사용되었으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 상기 스페이서(130) 형성 공정을 살펴보면, 제 1 트렌치 형성 후 소자 전면에 소정두께의 질화막을 증착한 후, 상기 질화막에 대한 이방성 식각(anisotropic etching)을 실시함으로써 도 3에서 도시된 바와 같이 스페이서(130)를 제 1 트렌치에서 노출된 소자 형성 영역의 하부 기판 측면에 형성하였다.
이후, 상기 스페이서(130)를 식각 마스크로 적용하여 제 1 트렌치에서 노출된 실리콘 기판 하부를 소정깊이로 제 2 식각함으로써 스페이서 보다 더 깊이 식각된 제 2 트렌치 구조를 형성한다(도 4 참조).
이후, 상기 노출된 소자 영역의 실리콘 기판, 즉, 제 2 트렌치 구조의 하부 기판은 비등방식각 공정에 의하여 식각되며, 그 결과 소자, 특히 소자 형성 영역의 하부 기판(140)과 기판(150)은 분리된다(도 5 참조). 상기 비등방식각 공정은 예를 들면, TMAH 나 KOH를 사용하여 진행되며, 식각 속도의 차이를 통하여 비등방 식각 프로파일을 달성할 수 있는데, 예를 들면, (111) 구조의 실리콘 기판에서 상기 비등방식각은 (110) 방향으로 진행되게 된다.
상기 분리된 소자 형성 영역은 기판으로부터 분리된 이후에도 여전히 정렬 상태를 유지하는데, 그 이유는 상기 소자 형성 영역 상의 절연막이 소자 형성 영역 외부의 절연막에 여전히 연결된 상태이기 때문이다.
이후, 상기 분리된 소자(140)는 PDMS에 의하여 분리된다(도 5 참조). 즉, 평탄한 면을 갖는 PDMS(150)가 상기 기판 상에 접근하여, 상기 기판 상의 소자 형성 영역, 보다 구체적으로는 소자 형성 영역 상의 절연막과 접촉하게 된다.
상기 접촉 후 상기 PDMS를 상승시킴으로써, 소자, 특히, 상기 비등방식각 공정에 의하여 소자 형성 영역의 하부 기판(140)이 그 아래의 실리콘 기판(100)으로부터 완전히 분리되어, 소자 형성 영역(140)이 기판(100)으로부터 떨어지게 된다.
도 6은 실리콘 기판으로부터 분리된 소자가 PDMS(150)에 붙어 있는 모습을 나타내는 도면이다.
이후, 상기 PDMS(150)에 의하여 분리된 소자는 플렉서블 기판(170)에 전사된다. 이후, 상기 실리콘 산화물(160)이 적층되는데, 상기 실리콘 산화물(160)과 플렉서블 기판(170) 사이에는 제 1 접착층(250)이 게재되어, 실리콘 산화물(160)과 플렉서블 기판 사이의 안정적 결합을 유도하며, 예를 들면, 폴리이미드가 사용될 수 있다.
상기 실리콘 산화물(160)은 이후 반도체 소자의 게이트 절연막으로 기능하게 된다(도 7 참조).
도 8을 참조하면, 상기 기판상에 적층된 실리콘 산화물(160)은 선택적으로 식각되어, 소스 및 드레인 영역의 일부가 노출된다.
이후, 금속층이 적층된 후, 패터닝되는데, 상기 패터닝에 의하여 소스, 드레인 전극 및 게이트 전극이 형성된다(도 9 참조). 본 발명은 상술한 바와 같이 게이트 전극에 압전 소자를 형성하게 되는데, 본 발명자는 특히 소스, 드레인 전극과 동일한 높이로 압전 소자를 형성하는 경우, 누르는 힘이 소스, 드레인 전극 자체에 영향을 주어, 압전 효율을 저하시키는 점에 주목하였다. 따라서 본 발명에서는 상기 게이트 전극으로부터 격리된 높은 높이에서 압전 소자를 형성하는데, 이는 아래에서 보다 상세히 설명한다.
도 10을 참조하면, 상기 기판 상에 제 2 절연막(190)이 적층된다. 상기 제 2 절연막은 소스, 게이트, 드레인 전극을 소정 두께로 덮게 되는데, 도 11을 참조하면, 상기 게이트 전극(180a) 상의 제 2 절연막은 패터닝되어, 상기 게이트 전극(180a) 일부가 노출된다.
도 12를 참조하면, 이후 상기 기판 상에 또 다른 금속층이 적층된 후 패터닝되는데, 상기 금속층 증착 및 패터닝 공정에 의하여, 상기 게이트 전극(180a)은 소정 높이만큼 수직 연장됨과 동시에, 상기 소자 형성 영역 외부로 수평 연장된 구조(200)를 갖는다. 더 나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 압력센서는 압전소자의 수압 영역을 확대하기 위하여, 압전소자가 적층되는 게이트 전극의 너비를 보다 넓힌 구조, 이른바 게이트 전극 패드(180b)를 포함한다. 따라서 본 발명에 따른 상기 게이트 전극 패드(180b)는 게이트 전극(180a)으로부터 수직 연장되므로, 소스, 드레인 전극보다 높은 높이에 형성되지만, 상기 소스, 드레인 전극 사이의 게이트 전극(180a)과 전기적으로 연결되므로, 상기 게이트 전극(180a)과 동일한 기능을 하게 된다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 게이트 전극 패드(180b)에는 압전소자로서 BTO가 사용되는데, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 소자에 인가되는 힘에 의하여 전압이 변화되는 임의의 모든 압전 물질이 본 발명의 압력 센서에 사용될 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다. 예를 들면, 티탄산 납과 지르코늄산 납의 고용체인 PZT(Pb(Zr,Ti)O3), PZT에 La를 도핑하여 높은 압전특성을 나타내는 PLZT (PbLa(Zr,Ti)O3), 타이타늄산비스무트 (Bismuth titanate, Bi4Ti3O12) 등이 사용될 수 있는데, 강유전체인 PZT, PLZT, 타이타늄산비스무트 등은 BTO와 비슷한 유전특성을 나타내며, BTO와 동일, 유사한 제조 방법들을 통해서 실리콘 기판에서 제조된 후 분리될 수 있다. 이 뿐만 아니라, 자체가 플렉서블 특성을 갖는 유기 폴리머 압전 물질, 예를 들면 PVDF, PEN, PP 등이 게이트 전극 패드에 사용될 수 있다.
도 14는 BTO를 압전물질로 사용하는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자 제조용 실리콘 기판(500)을 나타낸다.
상기 실리콘 기판(500) 상에는 압전재료층(210)이 적층되고(도 15 참조), 상기 압전재료층(210)상에는 다시 압전소자의 상부 전극인 금속층(220)이 적층된다(도 16 참조). 상기 압전재료층의 압전재료로서 BTO 외에도 플렉서블 기판에 전사 되기 전에 실리콘 기판에서의 고온 공정을 동반하여야만 제조될 수 있는 고효율 압전물질로는 PZT, PZT에 La를 도핑하여 높은 압전특성을 나타내는 PLZT , 타이타늄산비스무트 등이 있으며, 본 발명에서는 상기 압전재료층(210)의 압전재료를 BTO에 한정하지 않는다. 본 발명의 일 실시예에서 압전재료로 BTO를 사용하였으며, BTO를 적층시키는 방법으로는 졸-겔법을 이용한 고온소결법을 사용하였으나, 또 다른 방법으로 고온에서 Pulsed Laser Deposition (PLD), Sputter, Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD), Molecular Beam Epitaxy (MBE) 장비를 이용하여 성장시키는 방법 등이 있다. 본 발명은 압전 재료를 실리콘 기판상에 성장시키는 한 어떠한 방법도 사용할 수 있으며, 이는 본 발명의 범위에 속한다. 상기 금속층(220) 적층 후 상기 금속층은 소정 간격으로 패터닝되는데, 이후, 식각 공정에 의하여 압전 재료층(210) 및 실리콘 기판(500)은 일부 깊이만큼 식각되어, 트렌치 구조가 형성된다. 특히 본 발명에서 상기 트렌치는 소정 거리만큼 이격되며, 일정한 길이를 갖는 하나 이상의 트렌치로 이루어진다. 상기 하나 이상의 트렌치는 이어지는 비등방식각이 진행되는 지점이 되므로, 기판 크기 등에 따라 하나 이상의 열로 이루어질 수 있으며, 상기 하나 이상의 열을 갖는 트렌치는 각 열이 길이(여기에서 길이는 식각 방향에 수직하는 방향에서의 길이를 의미한다)방향에서 서로 중첩될 수 있다.
이후, 상기 복수열의 트렌치 구조에서 노출된 실리콘 기판이 비등방식각된다. 특히 도 16에 나타난 트렌치 구조에서 비등방식각이 진행되는 경우, 상기 기판(500)상의 모든 BTO 압전소자는 단 1회의 공정만으로도 기판으로부터 완전히 분 리될 수 있다(도 18 및 19 참조).
이후, 기판(500)으로부터 분리된 압전소자는 PDMS(400)에 접촉, 분리된다. PDMS에 의하여 실리콘 기판으로부터 분리된 BTO 압전소자는 압력센서의 게이트 전극 패드(180b)에 전사되는데, 도 20은 게이트 전극 패드(180b)에 BTO 압전소자가 전사된 후의 모습을 나타내는 도면이다.
도 20을 참조하면, 게이트 전극 패드(180b) 상에는 전사 방식으로 BTO 압전소자가 형성되며, 상기 압전소자에 압력이 가해지는 경우, 상기 압전소자의 압전기 효과에 의하여 게이트 전극의 전기적 특성은 변화된다. 즉, 압력에 따라 변화되는 게이트 전극의 전위는 소스-드레인 사이의 전류 변화를 발생시키고, 본 발명에 다른 압력센서는 이를 검출함으로써 압력 인가 여부 및 그 정도를 측정하게 된다. 상기 공정 후, 기판 상에는 제 3 절연막층(230)이 적층된다(도 21 참조). 상기 제 3 절연막층은 절연물질로서, 예를 들면 실리콘 산화물, 질화물 등이 사용될 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 상기 제 3 절연막층은 적층된 후, 다시 평탄 공정을 거침으로써, 소자 전체의 높이는 일정해진다.
본 발명은 더 나아가, 하나 이상의 압력센서가 구비되는 경우, 압전소자, 특히 상부전극을 공통적으로 연결시키는 구조를 개시한다.
도 22를 참조하면, 상기 압전소자상의 제 3 절연막층(230)은 일부 식각되어, 압전소자의 상부전극(220)이 노출된다. 이때, 본 발명에서는 상기 상부전극(220) 및 기판 상에 또 다른 전극층(260), 바람직하게는 ITO와 같은 투명 전극층을 적층시킴으로써, 상기 하나 이상의 압전 소자의 상부 전극을 연결하게 된다(도 23참조 ). 특히 전극층(260)은 압전 소자 영역 외의 기판 영역, 즉 제 3 절연막층(230) 상에도 모두 적층되어야 하는데, 그 이유는 상기 구성을 통하여 압전 소자의 상부 전극이 하나의 전극층(260)에 연결될 수 있기 때문이다.
도 24를 참조하면, 상기 전극층(260)상에는 보호막층(270)이 적층되며, 이로써 본 발명에 따른 압력센서가 완성된다.
특히 도 24를 참조하면, 본 발명에 따른 압력 센서는 트랜지스터 구조(소스-게이트-드레인)를 가지며, 게이트 전극으로부터 수직 및 수평 연장된 게이트 전극 패드(180b) 상에 적층된 압전 소자를 포함하는 구조이다. 본 발명에서 특히 상기 게이트 전극 패드(180b)는 소스-드레인 전극에 비하여, 높은 높이에 형성된다. 이로써, 가압되는 압력에 의하여 소스-드레인 전극이 가압됨으로써 발생하는 작동 오류를 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자는 상술한 바와 같이 BTO를 포함하는 압전재료를 기반으로 하며, 상기 압전재료층 하부에는 접착층(240)과 상기 압전재료층 상부에는 상부 전극(220)이 구비되지만, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 다른 압전물질, PZT, PZT에 La를 도핑하여 높은 압전특성을 나타내는 PLZT , 타이타늄산비스무트, 자체가 플렉서블 특성을 갖는 유기 폴리머, 예를 들면 PVDF, PEN, PP 등이 본 발명의 압력센서에서의 압전재료로 사용될 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 압전소자는 또 다른 실리콘 기판에서 제조된 후 다시 플렉서블 기판의 게이트 전극 패드(180b)에 전사되는 방식으로 적층된다. 즉, 게이트 전극 패드(180b) 상에 압전소자를 적층한 후, 소결시키는 경우, 하부의 플렉서블 기판은 소결 공정의 고온을 견디기 어렵지만 본 발명은 압전소자를 실리콘 기판 상에 제조한 후(즉, 소결공정을 진행한 후), 이를 게이트 전극 패드(180b)에 물리적으로 전사시키게 되며, 이 방법을 통하여, 본 발명은 플렉서블 기판이 갖는 공정상의 한계를 극복할 수 있다.
본 발명은 상기 단위압전소자를 하나 이상 구비하는 압력 센서 시스템을 제공한다.
도 25a 및 25b는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력센서 시스템 및 그 회로도를 나타내는 도면이다 .
도 25a 및 25b를 참조하면 동일 플렉서블 기판 상에 상술한 단위 압력센서가 하나 이상 구비된다. 특히, 본 발명은 실리콘 기판 상에서 하나 이상의 고성능 소자 형성 영역을 미리 형성한 후 이를 플렉서블 기판상에 전사시키는 소위 Top-down 방식이므로, 기판 상에 압전소자를 성장시키는 종래 기술에 비하여, 성능 및 경제성이 우수하고, 다양한 공정을 실리콘 기판에서 미리 진행할 수 있으므로, 공정 적용 범위가 상당히 넓다.
본 발명은 또한 압전 재료들의 초전기성 (pyroelectricity)을 이용한 온도센서를 제공하며, 본 발명에 따른 온도센서의 제조방법은 기본적으로 상기 압력센서와 동일하나, 온도센서는 게이트 전극이 아닌, 드레인 전극, 즉, 드레인 전극 패드와 수직, 수평으로 연결된 드레인 전극 패드에 형성된다. 본 발명에 따른 온도센서는 온도 변화에 따라 발생하는 전류 변화를 검출하여야 하므로, 전류 변화량을 검 출할 수 있는 드레인 전극에 구비된다.
도 26 내지 30은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도센서 제조방법을 설명하는 도면이다.
도 26 내지 30을 참조하면, 플렉서블 기판(160)상에 소자형성영역이 전사된 후, 소스, 게이트 전극, 드레인 전극(190)이 형성된다. 이후, 상기 전극층 상부의 절연막(220)은 패터닝되어, 드레인 전극의 일부가 노출된다.(도 27 참조) 이후 상기 드레인 전극 및 절연막(220) 상에 금속층이 적층, 패터닝됨으로써 상기 드레인 전극으로부터 수직 및 수평으로 연장된 드레인 전극 패드(230)가 형성된다. (도 28 참조) 즉, 상기 드레인 전극 패드(230)는 상기 드레인 전극보다 높은 높이에 형성됨으로써, 상부에 구비되는 압전 소자에 의하여 외부 온도를 효과적으로 검출할 수 있으며, 동시에 내부의 소자 자체가 외부 온도 조건에 의하여 영향을 받는 것을 최소화할 수 있다.
이후, 상기 드레인 전극 패드(230)상에 압전 재료층(260) 및 상부 전극(270)을 포함하는 압전소자가 적층되며, 상기 드레인 전극 패드(230)와 압전 소자 사이에는 접착층이 구비된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 드레인 전극 패드(230)에는 압전소자로서 BTO가 사용되었는데, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 온도에 따라 저항이 변화되는 임의의 초전기성 압전 물질이 본 발명의 온도 센서에 사용될 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다. 예를 들면, 유기 폴리머 PVDF, PEN, PP 등이 본 발명의 압력센서에서 압전 물질로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 압전 재료층(260)을 포함하는 상기 압전소자는 실 리콘 기판에서 제조, 분리된 후 PDMS와 같은 스탬프에 의하여 드레인 전극 패드(230)에 전사된다. 즉, 본 발명은 고온의 압전소자 제조를 실리콘 기판에서 진행한 후, 이를 플렉서블 기판에 전사하므로, 플렉서블 기판이 갖는 공정상의 제한조건을 효과적으로 극복할 수 있으며, 이는 상술한 바와 같다.
이후, 상기 압전 소자 등을 보호하기 위한 보호막층이 적층되는데, 압전소자 적층 후 진행되는 공정은 도 24 등에서 설명한 상기 압력 센서와 동일하므로 이하 생략한다(도 30 참조).
도 31a 및 31b는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도센서 시스템 및 그 회로도를 나타내는 도면이다 .
도 31a 및 31b를 참조하면 동일 플렉서블 기판 상에 상술한 단위 온도센서가 하나 이상 구비된다. 특히, 본 발명은 실리콘 기판 상에서 하나 이상의 고성능 소자 형성 영역을 미리 형성한 후 이를 플렉서블 기판상에 전사시키는 소위 Top-down 방식이므로, 기판 상에 압전소자를 성장시키는 종래 기술에 비하여, 성능 및 경제성이 우수하고, 다양한 공정을 실리콘 기판에서 미리 진행할 수 있으므로, 공정 적용 범위가 상당히 넓다.
본 발명의 상기 실시예에 따라 드레인 전극 패드에 압전소자가 형성된 상기 센서는 온도 변화뿐만 아니라, 인가되는 압력에 따라 변화되는 압전소자의 전기적 특성을 이용한 압력 센서로서도 기능할 수 있다.
도 1 내지 도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력센서 제조방법을 나타내는 공정 단계도이다.
도 25a 및 25b는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력센서 시스템 및 그 회로도를 나타내는 도면이다.
도 26 내지 30은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도센서 제조방법을 설명하는 도면이다.
도 31a 및 31b는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도센서 시스템 및 그 회로도를 나타내는 도면이다 .
Claims (29)
- 실리콘 기판 상에 소스, 드레인 영역을 형성하고, 상기 소스, 드레인 영역을 포함하는 소자 형성 영역을 플렉서블 기판에 전사시키는 단계;상기 소자 형성 영역 상에 소스, 게이트, 드레인 전극을 형성하는 단계;상기 게이트 전극으로부터 연장되며, 상기 게이트 전극보다 높은 높이의 게이트 전극 패드를 형성하는 단계; 및상기 게이트 전극 패드에 압전소자를 형성하는 단계를 포함하는 플렉서블 압력센서 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 압전 소자는 상기 게이트 전극 패드 상에 적층된 접착층;상기 접착층 상의 압전재료층; 및상기 압전재료층 상의 상부 전극으로 이루어진 것을 특징으로 하는 플렉서블 압력센서 제조방법.
- 청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제 1항에 있어서,상기 소자 형성 영역은 실리콘 기판상에 하나이상 제조된 후, 플렉서블 기판 상에 전사되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 압력센서 제조방법.
- 청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.상기 전사는 하나의 PDMS에 의하여 단일 공정으로 진행되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 압력센서 제조방법.
- 제 2항에 있어서,상기 압전재료층 및 상부 전극은 또 다른 기판 상에 제조, 분리된 후, 전사되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 압력센서 제조방법.
- 청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제 2항에 있어서,상기 압전재료는 BTO, PZT, PLZT, Bi4Ti3O12 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플렉서블 압력센서 제조방법.
- 청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제 2항에 있어서,상기 압전재료는 PVDF, PEN, PP 중 어느 하나인 유기 폴리머인 것을 특징으로 하는 플렉서블 압력센서 제조방법.
- 삭제
- 실리콘 기판 상에 소스, 드레인 영역을 형성하는 단계;상기 실리콘 기판 상에 제 1 절연막을 적층하는 단계상기 제 1 절연막을 선택적으로 식각하여, 상기 실리콘 기판을 노출시킴으로써 상기 소스, 드레인 영역을 포함하는 소자 형성 영역을 정의하는 단계;상기 제 1 절연막을 통하여 노출된 실리콘 기판을 비등방식각하는 단계;상기 실리콘 기판으로부터 상기 비등방 식각된 소자 형성 영역을 PDMS에 의하여 플렉서블 기판으로 전사시키는 단계; 및상기 플렉서블 기판 상에 소스, 게이트, 드레인 전극을 형성하는 단계;상기 소스, 게이트, 드레인 전극 상에 제 2 절연막을 적층한 후, 패터닝하여 상기 게이트 전극의 일부를 노출시키는 단계;상기 제 2 절연막상에 금속층을 적층한 후, 패터닝함으로써 상기 게이트 전극으로부터 연장되며, 상기 게이트 전극보다 높은 높이의 게이트 전극 패드를 형성하는 단계; 및상기 게이트 전극 패드 상에 압전 소자를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 압력센서 제조방법.
- 제 9항에 있어서,상기 압전 소자는 상기 게이트 전극 패드 상에 적층된 접착층;상기 접착층 상의 압전재료층; 및상기 압전재료층 상의 상부 전극으로 이루어진 것을 특징으로 하는 플렉서블 압력센서 제조방법.
- 제 10항에 있어서,상기 압전 소자 형성 후, 제 3 절연막층을 적층한 후, 상기 제 3 절연막 층을 평탄화하는 단계;상기 압전소자 상의 제 3 절연막 층을 식각하여, 상기 상부 전극을 노출시키는 단계; 및상기 상부 전극 및 상기 제 3 절연막층 상에 전극층을 형성하는 단계를 포함하는 플렉서블 압력센서 제조방법.
- 청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제 9항에 있어서,상기 소자 형성 영역은 실리콘 기판상에 하나 이상 형성되어, 플렉서블 기판 상에 전사되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 압력센서 제조방법.
- 청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제 9항에 있어서,상기 전사는 하나의 PDMS에 의하여 단일 공정으로 진행되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 압력센서 제조방법.
- 제 10항에 있어서,상기 압전재료층 및 상부 전극은 또 다른 실리콘 기판 상에 제조, 분리된 후, 전사되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 압력센서 제조방법.
- 삭제
- 플렉서블 기판;상기 플렉서블 기판 상에 형성된 실리콘 기판;상기 실리콘 기판 상에 형성된 소스, 드레인, 게이트 전극;상기 게이트 전극으로부터 연장되며, 상기 게이트 전극보다 높은 높이의 게이트 전극 패드; 및상기 게이트 전극 패드 상에 구비된 압전 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 압력센서.
- 제 16항에 있어서,상기 게이트 전극과 게이트 전극 패드 사이에는 절연막이 구비되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 압력센서.
- 제 16항에 있어서,상기 압전 소자는 상기 게이트 전극 패드 상에 적층된 접착층;상기 접착층 상의 압전재료층; 및상기 압전재료층 상의 상부 전극으로 이루어진 것을 특징으로 하는 플렉서블 압력센서.
- 제 16항 내지 제 18항 중 어느 한 항에 따른 압력센서를 플렉서블 기판 상에 하나 이상 구비하는 플렉서블 압력센서 시스템.
- 플렉서블 기판;상기 플렉서블 기판 상에 형성된 실리콘 기판;상기 실리콘 기판 상에 형성된 소스, 드레인, 게이트 전극;상기 드레인 전극으로부터 연장되며, 상기 드레인 전극보다 높은 높이의 드레인 전극 패드 ; 및상기 드레인 전극 패드 상에 구비된 압전 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 온도 센서.
- 제 20항에 있어서,상기 압전 소자는 상기 드레인 전극 패드 상에 적층된 접착층;상기 접착층 상의 압전재료층; 및상기 압전재료층 상의 상부 전극으로 이루어진 것을 특징으로 하는 플렉서블 온도 센서.
- 제 21항에 있어서,상기 압전재료층 및 상부 전극은 또 다른 실리콘 기판 상에 제조, 분리된 후, 상기 드레인 전극 패드에 전사되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 온도센서.
- 청구항 23은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제 21항에 있어서,상기 압전재료층의 압전재료는 BTO, PZT, PLZT, Bi4Ti3O12 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플렉서블 온도센서.
- 청구항 24은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제 21항에 있어서,상기 압전재료층의 압전재료는 PVDF, PEN, PP 중 어느 하나인 유기 폴리머인 것을 특징으로 하는 플렉서블 온도센서.
- 플렉서블 기판;상기 플렉서블 기판 상에 형성된 실리콘 기판;상기 실리콘 기판 상에 형성된 소스, 드레인, 게이트 전극;상기 드레인 전극으로부터 연장되며, 상기 드레인 전극보다 높은 높이의 드레인 전극 패드 ; 및상기 드레인 전극 패드 상에 구비된 압전 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 압력 센서.
- 제 25항에 있어서,상기 압전 소자는 상기 드레인 전극 패드 상에 적층된 접착층;상기 접착층 상의 압전재료층; 및상기 압전재료층 상의 상부 전극으로 이루어진 것을 특징으로 하는 플렉서블 압력 센서.
- 제 26항에 있어서,상기 압전재료층 및 상부 전극은 또 다른 실리콘 기판 상에 제조, 분리된 후, 상기 드레인 전극 패드에 전사되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 압력 센서.
- 청구항 28은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제 26항에 있어서,상기 압전재료층의 압전재료는 BTO, PZT, PLZT, Bi4Ti3O12 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플렉서블 압력 센서.
- 청구항 29은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.제 26항에 있어서,상기 압전재료층의 압전재료는 PVDF, PEN, PP 중 어느 하나인 유기 폴리머인 것을 특징으로 하는 플렉서블 압력 센서.
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