KR101902267B1 - 나노 스케일 공진기, 나노 스케일 센서 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
나노미터 스케일의 공진기, 나노미터 스케일의 공진기를 이용한 센서 및 나노미터 스케일 공진기의 제조방법에 관한 것으로서, 나노 스케일 공진기는 인가되는 신호에 기초하여 공진하는 나노 스케일의 공진부, 상기 공진부의 하부에 위치하고, 기판의 상부에 위치하여, 상기 공진부에서 발생하는 수직방향의 파(wave)를 반사시키는 에어 갭(Air Gap) 및 상기 에어 갭의 양면에 위치하며, 상기 에어 갭과 동일한 갭을 가지고, 상기 공진부를 지지하는 앵커(Anchor)를 포함한다.
Description
기술분야는 나노미터 스케일의 공진기, 나노미터 스케일의 공진기를 이용한 센서 및 나노미터 스케일 공진기의 제조방법에 관한 것이다.
통신기술이 급속도로 발전함에 따라, 통신기술에 대응하는 고주파 부품기술의 발전 또한 요구되고 있다. 특히, 하드웨어적인 관점에서 무선 통신 기기의 소형화 추세에 따라 고주파 부품기술도 소형화될 필요가 있다.
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 공정을 이용하여 마이크로 단위의 공진기를 제조할 수 있다. 그러나 큰 Q(Quality factor) 값을 가지는 공진기의 제작에는 다소 한계가 있었다. 일반적으로 공진기의 Q 값을 크게 하기 위해, 공진기 구조물의 강성을 크게 하거나, 박막의 형태로 제작하였다.
박막 형태의 MEMS 공진기는 큰 공진 주파수를 가지도록 제작될 수 있으나, 멤브레인 형태로 제작되기 때문에 공정상 많은 어려움이 있다.
일 측면에 있어서, 나노 스케일 공진기는 인가되는 신호에 기초하여 공진하는 나노 스케일의 공진부, 상기 공진부의 하부에 위치하고, 기판의 상부에 위치하여, 상기 공진부에서 발생하는 수직방향의 파(wave)를 반사시키는 에어 갭(Air Gap) 및 상기 에어 갭의 양면에 위치하며, 상기 에어 갭과 동일한 갭을 가지고, 상기 공진부를 지지하는 앵커(Anchor)를 포함한다.
상기 나노 스케일의 공진부는 빛의 간섭 무늬를 이용한 레이저 간섭 리소그래피(Laser Interference Lithography)에 기초하여 형성되고, 상기 앵커는 상기 기판의 상부에 적층된 희생층을 제거함으로써, 상기 에어 갭을 생성하는 공정과 동일한 공정에서 형성될 수 있다.
상기 공진부는 상기 신호가 입력 받는 제1 전극, 상기 입력 받는 신호에 기초하여 공진하는 공진층 및 상기 공진층에서 발생한 신호를 출력하는 제2 전극을 포함할 수 있다.
상기 공진층은 폴리 실리콘, 실리콘 나이트라이드 또는 금속계열의 물질로 형성될 수 있다.
상기 공진부는 적어도 하나의 나노 스케일의 서브 공진부를 포함할 수 있다.
상기 서브 공진부는 선형, 원형 또는 세르팡(serpent)형 중 하나의 형태로 형성될 수 있다.
상기 앵커는 비저항이 10킬로 옴 센티미터(kΩcm) 이상인 물질로 형성될 수 있다.
상기 앵커 및 상기 에어 갭은 상기 기판의 상부에 적층된 희생층에서 골을 기준으로 상기 에어 갭에 해당하는 희생층의 부분만 식각됨으로써 형성될 수 있다.
일 측면에 있어서, 나노 스케일 센서는 표면 처리된 소정의 물질과 결합하는 물질에 따라 변화하는 전기적 특성에 기초하여 상기 결합하는 물질을 센싱하는 나노 스케일의 센싱부, 상기 센싱부의 하부에 위치하고, 기판의 상부에 위치하여, 상기 센싱부에서 발생하는 수직방향의 파(wave)를 반사시키는 에어 갭(Air Gap) 및 상기 에어 갭의 양면에 위치하며, 상기 에어 갭과 동일한 갭을 가지고, 상기 센싱부를 지지하는 앵커(Anchor)를 포함한다.
상기 센싱부는 상기 결합하는 물질에 따라 변화하는 저항 값의 변화 또는 상기 결합하는 물질에 따라 변화하는 공진 주파수의 변화량에 기초하여 상기 결합하는 물질을 센싱할 수 있다.
상기 나노 스케일의 센싱부는 빛의 간섭 무늬를 이용한 레이저 간섭 리소그래피(Laser Interference Lithography)에 기초하여 형성되고, 상기 앵커는 상기 기판의 상부에 적층된 희생층을 제거함으로써, 상기 에어 갭을 생성하는 공정과 동일한 공정에서 형성될 수 있다.
상기 센싱부는 레이저 간섭 리소그래피(Laser Interference Lithography)에 기초하여 형성된 적어도 하나의 나노 스케일의 서브 센싱부를 포함할 수 있다.
일 측면에 있어서, 나노 스케일 공진기의 제조 방법은 기판의 상부에 희생층, 공진층 및 도전층을 순서대로 증착하는 단계, 나노 스케일 공진기의 형상에 맞게 상기 도전층을 패터닝 하는 단계, 상기 패터닝 된 도전층 상부에 포토레지스트를 증착하는 단계, 상기 포토레지스트가 증착된 영역 중 기 설정된 영역에 자외선을 조사하여, 상기 기 설정된 영역을 오픈하는 단계, 상기 오픈된 영역의 상부에 레이저 간섭 리소그래피 전용 레지스트를 증착하는 단계, 적어도 하나의 나노 스케일의 서브 공진기의 형상에 맞게 레이저 간섭 리소그래피 공정을 수행하는 단계, 상기 서브 공진기의 형상에 맞게 상기 도전층 및 상기 공진층을 식각하는 단계 및 증기 상태의 에천트(etchant)를 이용하여 상기 희생층 중 에어 갭에 해당하는 영역을 제거하여 상기 에어 갭 및 앵커를 생성하는 단계를 포함한다.
상기 희생층은 실리콘 옥사이드 계열 또는 실리콘 나이트라이드 계열의 물질로 형성될 수 있다.
상기 공진층은 니켈(Ni), 니크롬(NiCr), 크롬(Cr), 티타늄(Ti) 중 하나의 물질로 형성될 수 있다.
상기 도전층 및 상기 공진층을 식각하는 단계는 이온 가속에 반응성 가스를 사용하는 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching) 공정을 수행하여 상기 도전층 및 상기 공진층을 식각할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 나노 스케일 공진기의 제조 방법은 상기 레이저 간섭 리소그래피 전용 레지스트가 증착된 기판을 칩 형태로 절단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 나노 스케일 공진기의 제조 방법은 상기 에어 갭과 상기 앵커의 경계가 되는 골의 형상에 맞게 상기 희생층을 패터닝하는 단계를 더 포함하고, 상기 에어 갭 및 앵커를 생성하는 단계는 상기 골을 경계로 하여 상기 에어 갭에 해당하는 희생층을 제거함으로써, 상기 에어 갭 및 상기 앵커를 생성할 수 있다.
레이저 간섭 리소그래피(LIL, Laser Interference Lithography) 공정을 통해 나노 스케일의 공진기를 구현함으로써, 큰 Q값을 가지는 공진기가 생성될 수 있다.
또한, 일실시예에 따른 나노 스케일 공진기는 동일한 높이의 에어 갭과 앵커를 이용함으로써, 경사구조로 인한 공진층의 결정 특성 저하 문제를 개선할 수 있다.
또한, LIL 공정을 이용함으로써, 기존의 공정 방식 보다 빠른 시간 안에 공진기를 제조할 수 있다.
또한, 나노 스케일의 공진기는 정보통신용 소자로 이용될 뿐만 아니라, 바이오 분야에서 특정 물질을 검출하는데 사용되는 센서로서 이용될 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 나노 스케일 공진기의 평면도이다.
도 2는 일실시예에 따른 나노 스케일 공진기의 단면도이다.
도 3은 다른 일실시예에 따른 나노 스케일 공진기를 나타낸 도면이다.
도 4는 다른 일실시예에 따른 나노 스케일 공진기의 단면도이다.
도 5는 일실시예에 따른 나노 스케일 공진기의 제조 과정을 나타내는 도면이다.
도 6은 다른 일실시예에 따른 나노 스케일 공진기의 제조 과정을 나타내는 도면이다.
도 7은 일실시예에 따른 나노 스케일 공진기를 제조하는 과정에서 사용되는 레이저 간섭 리소그래피 공정을 나타낸 도면이다.
도 8은 일실시예에 따른 나노 스케일 센서의 평면도이다.
도 9는 일실시예에 따른 나노 스케일 센서의 단면도이다.
도 10 내지 도 12는 또 다른 일실시예에 따른 나노 스케일 공진기를 나타낸 도면이다.
도 2는 일실시예에 따른 나노 스케일 공진기의 단면도이다.
도 3은 다른 일실시예에 따른 나노 스케일 공진기를 나타낸 도면이다.
도 4는 다른 일실시예에 따른 나노 스케일 공진기의 단면도이다.
도 5는 일실시예에 따른 나노 스케일 공진기의 제조 과정을 나타내는 도면이다.
도 6은 다른 일실시예에 따른 나노 스케일 공진기의 제조 과정을 나타내는 도면이다.
도 7은 일실시예에 따른 나노 스케일 공진기를 제조하는 과정에서 사용되는 레이저 간섭 리소그래피 공정을 나타낸 도면이다.
도 8은 일실시예에 따른 나노 스케일 센서의 평면도이다.
도 9는 일실시예에 따른 나노 스케일 센서의 단면도이다.
도 10 내지 도 12는 또 다른 일실시예에 따른 나노 스케일 공진기를 나타낸 도면이다.
이하, 일측에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
공진기는 MEMS 공정을 이용한 박막 형태(planar type), 클램프(clamped)형태, SPM(Scanning Probe Microscope)을 이용한 패터닝 방식 및 나노 스케일의 파티클(particle)을 성장시키는 방식 등으로 제조될 수 있다.
MEMS 공정을 이용한 박막 형태의 공진기는 멤브레인 박막 위에 구현되어야 하므로, 공진기의 제작 시, 고온, 고압 등의 공정으로 인한 스트레스 등에 의해 박막이 파괴될 가능성이 있으며, 전체적으로 제조 공정이 어렵다.
클램프 형태의 공진기는 빔(beam)과 하부 전극 사이에 캐패시터가 존재하며, 바이어스에 의한 빔의 변형, 빔의 변형으로 인한 캐패시터의 변화, 및 공진주파수의 변화가 이용될 수 있다.
캔틸레버(cantilever) 형태의 공진기의 경우 Q 값을 크게 하기 위해서는 공진기를 작게 만들어야 하므로, 기존의 UV(ultraviolet) 리소그래피 공정으로는 제조에 한계가 있다.
SPM(Scanning Probe Microscope)을 이용하여 소자를 제작하는 경우, 아주 작은 미세 구조물의 소자를 제작할 수 있다는 장점이 있으나, 공정 시간이 다소 많이 필요하고, 대량생산이 어려운 점이 있다.
나노 스케일의 파티클(particle)을 성장시켜 서스팬디드(suspended) 형태의 구조물을 만드는 방식은 아주 작은 선폭의 나노 구조물을 제작할 수 있다는 장점이 있으나, 성장시키는 과정에서 여러 개의 나노 구조물을 생성하고, 정렬하는 것이 쉽지 않다. 다시 말하면, 원하는 길이와 방향으로 적절히 성장시키기가 쉽지 않다.
도 1은 일실시예에 따른 나노 스케일 공진기의 평면도이다.
도 1을 참조하면, 일실시예에 따른 나노 스케일 공진기(110)는 제1 전극(120), 제2 전극(130) 및 기판(140)의 상부에 위치한 앵커(anchor), 에어 갭(air gap) 및 공진부를 포함한다. 앵커, 에어 갭 및 공진부의 구조에 대해서는 도 2에서 보다 상세하게 설명한다.
제1 전극(120) 또는 제2 전극(130)에 소정 주파수의 신호가 인가되는 경우에만 신호가 손실되지 않고 다른 전극으로 전달될 수 있다. 이때, 인가되는 신호로는 RF(Radio Frequency) 신호가 사용될 수 있다.
나노 스케일 공진기(110)는 공진현상을 이용하는 소자로서, 나노 스케일 공진기(110)의 물리적 주기성과 나노 스케일 공진기(110)에 인가되는 신호의 주기성이 일치하는 경우에, 일치하는 주기에 해당하는 주파수의 에너지를 손실 없이 보존 또는 전달할 수 있다. 나노 스케일 공진기(110)는 주파수 선택적 특성을 이용하여, 특정 주파수 성분만 선택하여 처리할 수 있다.
공진현상은 나노 스케일 공진기(110)의 고유 진동수와 동일한 주기의 신호가 인가되면 발생할 수 있다. 고유 진동수는 나노 스케일 공진기(110)의 질량, 스프링 강성, 댐핑 정도에 의해 결정되며, 고유 진동수는 나노 스케일 공진기(110)의 선폭의 결정을 통해 결정될 수 있다.
나노 스케일 공진기(110)를 제작함에 있어 고려해야 하는 중요한 요소중의 하나가 Q factor 이다. 공진주파수를 기준으로 양쪽으로 3dB, 즉, 에너지가 반으로 감쇄되는 지점의 주파수간의 차이를 소위 3bB 대역폭이라고 하고, 공진주파수를 3dB 대역폭으로 나눈 것이 바로 Q값이며, Q 값이 클수록 공진 특성이 샤프(sharp)하며, 선택 특성 품질이 좋다고 할 수 있다.
Q 값을 크게 하기 위해서는 나노 스케일 공진기(110)의 강성을 증가시키거나, 질량을 감소 시키는 방법을 사용해야 한다. 질량의 감소는 나노 스케일 공진기(110)를 미세한 선폭을 가지는 형태로 제작함으로써 이루어질 수 있다. 미세한 선폭을 가지는 나노 스케일 공진기(110)는 레이저 간섭 리소그래피 공정을 통해 구현될 수 있다.
레이저 간섭 리소그래피 (Laser Interference Lithography, LIL)는 레이저광의 간섭현상을 이용하여 나노 구조를 형성하는 기술로서, 광감응물질인 포토레지스트를 기판의 표면에 도포한 뒤 두 개의 레이저 광을 포토레지스트 표면에 조사하면, 두 개의 레이저광 사이의 간섭(interference)에 의해 나노 크기의 격자패턴이 형성되는 특성을 이용한 것이다.
LIL을 이용함으로써 기존의 반도체 및 MEMS 공정을 통해 구현이 다소 어려운 나노 스케일 선폭의 소자를 구현할 수 있고, 3차원의 브릿지 형태의 소자를 제작할 수 있다.
LIL을 이용하여 제작된 나노 스케일의 소자는 공진기 및 바이오 센서 등 다양한 분야로의 응용이 가능하다.
도 2는 일실시예에 따른 나노 스케일 공진기의 단면도이다. 보다 구체적으로, 도 2는 도 1의 단면(150)을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 나노 스케일 공진기는 공진부(210), 에어 갭(220) 및 앵커(231, 233)를 포함한다.
공진부(210)는 제1 전극(261), 제2 전극(263), 공진층(251, 253) 및 서브 공진부(211)를 포함할 수 있다. 제1 전극(261) 및 제2 전극(263)은 공진부(210)와 기능적인 관점에서 하나의 블록으로 표시될 수 있지만, 제조의 관점에서 별도의 구성요소로 취급될 수 있다.
공진부(210)는 빛의 간섭 무늬를 이용한 레이저 간섭 리소그래피(Laser Interference Lithography)에 기초하여 나노 스케일로 형성될 수 있다.
기판(240)의 상부에 에어 갭(220) 및 앵커(231, 233)가 위치할 수 있다. 공진부(210)는 공진층(251, 253) 및 나노 스케일의 서브 공진부(211)에서 발생하는 수직방향의 파(Wave)의 반사 특성을 향상시키기 위해 에어 갭(Air Gap)을 통해 기판(240)으로부터 공중 부양될 수 있다. 나노 스케일의 서브 공진부(211)는 LIL 공정을 통해 형성될 수 있다.
공진부(210)는 공진 주파수 대역 범위에서 반사특성 또는 전송특성을 향상시키기 위해 평면상에 배열되고 공통의 전극으로 연결된 다수의 서브 공진기(211)를 포함할 수 있다.
에어 갭(Air Gap)은 기판(240) 상부에 포토 레지스트 막을 증착하고, 패터닝에 따라 포토 레지스트 막을 식각하여, 공동부를 형성하고 상기 공동부에 희생층을 증착하고, 상기 희생층 및 기판(240)상에 멤브레인층, 공진층 및 도전물질을 차례로 적층한 후 상기 희생층을 식각함으로써 형성될 수 있다.
또 다른 방법으로는 에어 갭은 기판(240) 상부에 희생층을 증착하고 패터닝한후 상기 희생층 및 기판(240)상에 절연막을 증착하고, 공진층 및 도전물질을 차례로 적층한 후, 최종적으로 희생층을 제거함으로써 에어갭을 형성하는 방식이 있다.
이때, 희생층은 소자 외부에서 소자 내부에 있는 희생층까지 연결되는 비아홀을 통해 에칭액을 투여함으로써 제거될 수 있고, 에어 갭은 희생층이 제거된 위치에 형성될 수 있다.
에어 갭(220)은 빈 공간으로 임피던스가 무한대에 가까워, 공진층(251, 253) 및 서브 공진기(211)에서 발생한 파는 에어 갭(220)으로 손실되지 않고, 공진층(251, 253) 및 서브 공진기(211) 내에 잔존할 수 있다.
에어 갭(220)은 기판(240)의 상부에 에어 갭(220)의 형상에 맞게 패터닝 된 희생층을 이용하여 생성될 수 있다. 이때, 앵커(231) 및 앵커(233)도 함께 생성된다. 앵커(231), 앵커(233) 및 에어 갭(220)은 동일한 희생층을 이용하여 생성될 수 있다. 기판(240)상에 증착된 희생층 중, 에어 갭(220)에 해당하는 부분만 패터닝을 통해 제거 될 수 있고, 남아 있는 희생층은 앵커(231), 앵커(233)가 될 수 있다. 희생층으로는 실리콘 옥사이드 계열 및 실리콘 나이트라이드 계열 및 금속계열의 물질이 사용될 수 있다.
예를 들면, 희생층으로 폴리 실리콘(poly Si)이 사용될 수 있다. 폴리 실리콘은 높은 비저항의 특성을 가진다. 대략적으로 폴리 실리콘을 수만 킬로 옴 센티미터(kΩcm)의 비저항을 가질 수 있다.
제1 전극(261) 및 제2 전극(263)은 금, 몰리데늄, 루테늄, 알루미늄, 백금, 티타늄, 텅스텐, 팔라듐, 크롬, 니켈 등과 같은 금속으로 형성될 수 있다.
서브 공진부(211)는 선형, 원형 또는 세르팡(serpent)형 중 하나의 형태로 형성될 수 있다. 서브 공진부(211)의 형태는 LIL의 간섭 무늬에 따라 결정될 수 있다.
앵커(231, 233) 및 에어 갭(220)은 기판(240)의 상부에 적층된 희생층에서 골(도시되지 않음)을 기준으로 에어 갭(220)에 해당하는 희생층의 부분만 식각됨으로써 형성될 수도 있다. 에어 갭(220)과 앵커(231, 233)의 경계가 되는 골의 형상에 맞게 희생층이 패터닝될 수 있다. 패터닝에 따라 에어 갭(220)과 앵커(231)의 경계에 골이 형성되고, 에어 갭(220)과 앵커(233)의 경계에 골이 형성될 수 있다.
골은 희생층의 증착 후, 희생층 상부에 포토레지스트(photoresist)를 증착하고 골에 대응하는 부분의 포토레지스트를 제거하고, 골의 모양으로 희생층을 식각함으로써, 생성될 수 있다.
에어 갭(220)은 릴리즈 홀(release hole)(도시되지 않음)을 통해 주입된 가스를 통하여 희생층이 제거됨으로써 생성될 수 있다. 주입된 가스는 증기(vapor) 상태의 에천트로서, 희생층을 제거하는데 이용될 수 있다.
골은 주입된 가스가 앵커(231) 및 앵커(233)의 영역으로 진행하지 않도록 막는 역할을 할 수 있다. 따라서, 에어 갭(220)에 해당하는 부분만 주입된 가스를 통해 희생층이 제거됨으로써, 에어 갭(220)이 생성될 수 있다. 하나의 희생층으로부터 에어 갭(220), 앵커(231) 및 앵커(233)가 생성될 수 있다.
도 3은 다른 일실시예에 따른 나노 스케일 공진기를 나타낸 도면이다. 보다 구체적으로 도 3은 도 2의 나노 스케일 공진기를 3차원 상의 구조로 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 나노 스케일 공진기는 에어 갭(360), 앵커(321, 323) 및 서브 공진부(350)를 포함하는 구조이다. 기판(310)의 상부에 앵커(321), 에어 갭(360), 앵커(323)가 위치한다. 에어 갭(360)은 앵커(321) 및 앵커(323)와 동일한 희생층을 통해 형성될 수 있다. 기판(310)의 상부에 적층된 희생층 중 식각으로 제거된 부분이 에어 갭(360)에 해당하고, 제거되지 않은 나머지 부분이 앵커(321) 및 앵커(323)에 해당한다.
앵커(321) 및 에어 갭(360)의 상부에 공진층(331) 및 제1 전극(341)이 위치할 수 있다. 제1 전극(341)에 소정 주파수의 신호가 인가되면 공진층(331)에서 공진 현상이 발생할 수 있다.
앵커(324) 및 에어 갭(360)의 상부에 공진층(335) 및 제2 전극(345)이 위치할 수 있다. 공진층(331)에서 발생한 공진 현상으로 인해, 소정 주파수의 파는 공진층(335)으로 전달되고, 제2 전극(345)을 통해 소정 주파수의 신호가 출력될 수 있다.
서브 공진부(350)는 에어 갭(360)의 상부에 위치하는데, 서브 공진부(350)는 공진층(333) 및 도전층(343)을 포함한다. 공진층(333)은 LIL 패터닝을 통해 공진층(331) 및 공진층(335) 사이에 형성될 수 있다. 도 3에는 도시되지 않았지만, 공진층(331), 공진층(333) 및 공진층(335)은 소정 영역에서 연결될 수 있다. 따라서, 공진층(333)에서 발생한 파는 공진층(335)으로 전달될 수 있다.
복수의 서브 공진부(350)가 에어 갭(360)의 상부에 위치할 수 있다. 서브 공진부(350)의 폭이 작아질수록, 폭이 작은 서브 공진기(350)의 개수가 많아질수록, 높은 Q 값의 나노 스케일 공진기가 구현될 수 있다.
도 4는 다른 일실시예에 따른 나노 스케일 공진기의 단면도이다. 보다 구체적으로, 도 4는 도 1의 단면(160)을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 나노 스케일 공진기는 에어 갭(430), 앵커(431) 및 앵커(433), 공진층(440), 제1 전극(451) 및 제2 전극(453)을 포함할 수 있다.
에어 갭(430), 앵커(431) 및 앵커(433)는 기판(410)의 상부에 위치하며, 동일한 희생층을 이용하여 형성될 수 있다. 동일한 희생층을 이용하여 에어 갭(430), 앵커(431) 및 앵커(433)가 형성됨으로써, 제조 비용을 감소시킬 수 있다.
공진층(440)은 제1 전극(450)에 입력되는 신호의 주파수에 기초하여 공진하며, 공진하는 경우 소정 주파수의 파를 제2 전극(453)으로 전달할 수 있다. 공진층(440)의 일부 영역은 LIL 공정을 통해 나노 스케일로 패터닝되고, 식각되어 빈 공간으로 형성될 수 있다.
에어 갭(420)은 공진층(440)에서 발생하는 수직 방향의 파를 반사시킬 수 있다. 앵커(431) 및 앵커(433)는 공진층(440)을 지지할 수 있다.
도 5는 일실시예에 따른 나노 스케일 공진기의 제조 과정을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 나노 스케일 공진기는 실리콘 기판(505)을 기초로 제작될 수 있다. 또는 SOI(Silicon On Insulator) 기판을 사용하여 제작될 수도 있다.
실리콘 기판(505) 상부에 절연 및 희생층으로 사용될 박막(510)이 증착될 수 있다. 여기서 사용되는 박막은 실리콘 옥사이드 계열 또는 실리콘 나이트라이드 계열의 물질이 사용될 수 있다.
실리콘 옥사이드 계열의 물질은 열처리 및 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 공정을 통해 증착이 가능하고, 실리콘 나이트라이드 계열의 물질은 PECVD 및 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposion) 공정을 통해 증착이 가능하다. 박막은 약 1um 두께 이상으로 증착 되는 것이 좋다.
박막(510)의 증착 후에는 공진층(515)이 증착될 수 있다. 공진층(515)은 나노 스케일의 패터닝이 이루어지는 층이기도 하다. 공진층(515)은 폴리 실리콘, 실리콘 나이트라이드, 금속 계열의 물질 등 공진기가 사용되는 용도 및 사용가능한 공정에 따라 다양한 물질들이 이용될 수 있다.
희생층 위에 공진층(515)를 형성하는 경우, 두 층간의 구별이 가능해야 하므로, 서로 다른 물질을 증착하는 것이 바람직하다.
공진층(515)의 상부에는 소자의 신호를 측정하기 위한 도전층(520)이 증착된다. 도전층(520)은 Ti/Au, Cr/Au 등을 구성물질로 하여 형성될 수 있다.
도전층(520)의 상부에는 공정 중 에천트로 인한 손실을 방지하기 위해 마스크 층(masking layer)(525)이 증착된다. 마스크 층으로는 일반적으로 다양한 재료가 사용될 수 있으며, 예를 들면, 크롬, 실리콘 나이트라이드, 실리콘 옥사이드 등이 사용될 수 있다.
나노 스케일 공진기의 제작을 위해 패터닝 공정이 이용된다. 도전층의 패터닝 공정으로는 일반적인 UV 리소그래피 공정이 사용될 수 있으며, 나노 스케일의 공진기를 형성하기 위해 LIL 공정이 적용될 수 있다.
LIL 공정의 경우에는 LIL 전용 레지스트를 사용해야 하므로 패터닝 된 도전층(530) 상부에 전체적으로 LIL 전용 레지스트가 코팅될 수 있다.
LIL 공정은 기판 전체적인 부분에 레이저를 조사할 필요 없이 나노 스케일 공진기가 구현되는 부분에만 레이저를 조사하면 되므로 레이저가 조사되는 부분(535)만 오픈 될 수 있다.
오픈되는 부분(535)은 별도의 마스크 및 UV 리소그래피를 이용하여 오픈 될 수 있다.
도 5에서는 LIL 공정이 최대 2 cm x 2 cm 정도 크기의 칩(540)만 로딩이 가능한 경우를 예로 들었기 때문에, 칩 형태로 절단을 하여 LIL 공정을 진행하지만, 웨이퍼 전체로 로딩이 가능한 장비의 경우에는 별도의 절단(dicing)공정 없이 기판 전체를 로딩하여 LIL 공정이 수행될 수 있다.
LIL 공정 후에는 LIL 전용 레지스트를 현상(develop)(545)하여 나노미터 스케일의 선 형태의 모양(550)을 제작할 수 있다.
반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching, RIE) 공정을 통해 패터닝 된 도전층(530) 및 공진층(515)이 식각되어, 나노 스케일의 서브 공진기가 생성될 수 있다.
RIE 공정 후에는 희생층을 제거하여, 에어 갭(555) 및 앵커가 형성될 수 있다. 에어 갭(555) 상부의 공진층(515)은 LIL 공정을 통해 나노 스케일로 패터닝되어 있다. Wet 형태의 에천트(etchant)를 이용하여 희생층을 제거하면 나노 스케일 구조의 공진층(515)은 에천트의 흐름을 견디지 못하고 파괴될 수 있다.
따라서, 에천트를 증기(vapor) 상태로 만든 상태에서 희생층 제거 공정이 수행되어야 한다. 희생층으로 실리콘 옥사이드가 사용되는 경우, 증기 상태의 KOH 혹은 BOE(Buffered Oxide Etchant)가 식각을 위해 사용될 수 있다.
증기가 잘 스며들 수 있도록 소정의 희생층의 두께가 확보되어야 하며, 에천트가 에어 갭(555)을 형성하기 위해 잘 흐를 수 있도록 순환 시스템을 갖추어서 공정을 진행하면 에어 갭(555) 형성에 더욱 효과적일 수 있다. 에어 갭(555)을 형성함으로써, 서스펜디드 브릿지(suspended bridge) 형태의 나노 스케일 공진기가 제작될 수 있다.
기판으로 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼를 사용하면, 희생층 및 공진층의 증착 공정이 생략되며, 그 이후로 동일한 공정이 진행될 수 있다.
신호 처리 등을 위해 별도의 도전층을 증착하여 패터닝 공정을 수행하였으나, 별도의 도전층의 패터닝 공정이 필요 없는 경우에는, 도전층의 증착 없이 공진층 까지만 증착하고, 도전층의 증착 및 패터닝 공정없이, 상기 공정을 동일하게 진행될 수 있다.
서스펜디드 브릿지(suspended bridge) 형태의 소자를 제작함에 있어서 사용하는 용도에 따라 공진층의 두께, 길이, 선폭 등을 적절히 조절하는 것이 필요하다.
도 6은 다른 일실시예에 따른 나노 스케일 공진기의 제조 과정을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 나노 스케일 공진기는 실리콘 기판(605)을 기초로 하여 제작될 수 있다. 실리콘 기판(605)의 상부에는 실리콘 옥사이드가 희생층(610)으로써 증착 될 수 있다. 희생층(610)의 상부에는 폴리 실리콘이 공진층(615)으로써 증착 될 수 있다. 공진층(615)의 상부에는 크롬이 도전층(620)으로써 증착될 수 있다.
도전층(620)의 상부에 포토레지스트(625)가 증착된 후, 패터닝을 통해 도전층(620)에 나노 스케일 공진기의 형태가 그려질 수 있다. 포토레지스트(625)의 제거 후, 포토레지스트(630, 635)가 증착된 후, UV 리소그래피 공정을 통해 LIL 공정을 수행할 부분(640)이 오픈될 수 있다.
오픈된 영역(640) 및 포토레지스트(630, 635)의 상부에 LIL 전용 레지스트(645)가 코팅될 수 있다. LIL 패터닝을 통해 나노 스케일의 폭을 가지는 부분들(650)이 LIL 전용 레지스트(645)에 형성될 수 있다.
이온성 반응 식각(RIE)를 통해 나노 스케일의 폭을 가지는 부분들(650) 중에서 포토레지스트(630, 635)로 보호되지 않는 부분을 식각함으로써, 서브 공진부가 영역(655) 사이에 위치할 수 있다.
LIL 전용 레지스트(645) 및 포토레지스트(630, 635)의 제거 후, 증기 상태의 에천트를 이용하여 희생층(610)이 제거 됨으로써, 에어 갭(660)이 형성될 수 있다. 에어 갭(660)을 통해 서브 공진부가 공중에 떠 있는 형태로 나노 스케일 공진기가 제작될 수 있다.
도 7은 일실시예에 따른 나노 스케일 공진기를 제조하는 과정에서 사용되는 레이저 간섭 리소그래피 공정을 나타낸 도면이다.
레이저 간섭 리소그래피 공정에서는 단일 레이저 빔을 이용하여, 기판의 표면에서 입사파와 반사파의 간섭현상을 만들어 냄으로써, 나노 스케일의 소자가 간단하게 제작될 수 있다.
레이저 빔의 간섭 현상을 리소그래피에 적용하도록 간섭계를 만들기 위해서는 크게 두 가지 방법이 이용될 수 있다.
첫째는 레이저 빔을 두 방향으로 나누어서 간섭을 일으키는 방법이다. 빔 스플리터를 통해 두 방향으로 나누어진 빔은 각각 스파셜(spatial) 필터를 통과하면서, 직경이 확장되고, 확장된 두 빔은 기판 상에서 간섭을 일으켜, 기판에 도포된 감광제에 간섭 패턴을 형성할 수 있다. 각각의 빔이 기판에 입사되는 각도를 조절함으로써, 간섭 패턴의 주기가 조절될 수 있다.
둘째는 Lloyd's의 거울 간섭계(mirror interferometer)(740)를 이용하는 방법이다. 전반사 거울과 기판(substrate)의 장착이 가능한 지지대를 서로 이루는 각도가 수직이 되도록 고정시키고, 기판에 레이저 빔을 입사시켜 간섭 패턴이 형성될 수 있다. 기판에 직접 입사하는 빔과 거울에서 반사되어 기판으로 입사하는 빔의 각도는 서로 동일하다. 기판에 직접 입사하는 빔의 각도가 변하더라도 거울에 반사되어 오는 빔의 입사각도는 기판에 입사하는 빔의 각도와 항상 동일한 값을 가지게 된다.
회전축(rotation axis)을 따라 거울 간섭계(740)를 회전시키는 것만으로도 기판에 입사하는 빔의 각도가 조절될 수 있다. 빔의 각도가 조절됨에 따라 기판에 형성되는 간섭 패턴의 주기가 변화될 수 있다.
도 7을 참조하면, 레이저 생성 장치(710)에서 출력된 레이저 빔은 스파셜 필터(720)를 통과하면서 직경이 확장되고, 확장된 레이저 빔은 렌즈(730)를 통과하여 거울 간섭계(mirror interferometer)(740)에 입사할 수 있다.
도 8은 일실시예에 따른 나노 스케일 센서의 평면도이다.
도 8을 참조하면, 일실시예에 따른 나노 스케일 센서(810)는 제1 전극(820), 제2 전극(830) 및 기판(840)의 상부에 위치한 앵커(anchor), 에어 갭(air gap) 및 센싱부를 포함한다. 앵커, 에어 갭 및 센싱부의 구조에 대해서는 도 9에서 보다 상세하게 설명한다.
제1 전극(820) 또는 제2 전극(830)에 소정 주파수의 신호가 인가되는 경우에만 신호가 손실되지 않고 다른 전극으로 전달될 수 있다. 이때, 인가되는 신호로는 RF(Radio Frequency) 신호가 사용될 수 있다.
제1 전극(820) 및 제2 전극(830)의 하부에는 공진층이 위치한다. 공진층은 제1 전극(820) 또는 제2 전극(830)에 소정 주파수의 신호가 인가되는 경우에만 공진할 수 있다.
센싱부의 표면 처리된 물질과 결합하는 물질에 따라 공진 주파수가 변화하거나, 제1 전극(820) 또는 제2 전극(830)에 흐르는 전류가 변화할 수 있다. 결합 물질에 따라 센싱부의 저항이 바뀌어 제1 전극(820)에서 제2 전극(830)으로 흐르는 전류의 량이 변화할 수 있다. 결합 물질에 따라 센싱부의 질량이 변화되어 공진층에서 공진하는 공진 주파수가 변화될 수 있다.
센싱부는 전류의 변화량 또는 공진 주파수의 변화량에 기초하여 결합하는 물질을 센싱할 수 있다. 센싱의 정밀도를 높이기 위해서는 Q값이 커져야 한다.
Q 값을 크게 하기 위해서는 나노 스케일 센서(810)의 강성을 증가시키거나, 질량을 감소 시키는 방법을 사용해야 한다. 질량의 감소는 나노 스케일 센서(810)를 미세한 선폭을 가지는 형태로 제작함으로써 이루어질 수 있다. 미세한 선폭을 가지는 나노 스케일 센서(810)는 레이저 간섭 리소그래피 공정을 통해 구현될 수 있다.
레이저 간섭 리소그래피 (Laser Interference Lithography, LIL)는 레이저광의 간섭현상을 이용하여 나노 구조를 형성하는 기술로서, 광감응물질인 포토레지스트를 기판의 표면에 도포한 뒤 두 개의 레이저 광을 포토레지스트 표면에 조사하면, 두 개의 레이저광 사이의 간섭(interference)에 의해 나노 크기의 격자패턴이 형성되는 특성을 이용한 것이다.
도 9는 일실시예에 따른 나노 스케일 센서의 단면도이다. 보다 구체적으로, 도 9는 도 8의 단면(850)을 나타낸다.
도 9를 참조하면, 나노 스케일 센서는 제1 전극(910), 센싱부(920), 제2 전극(930), 에어 갭(940) 및 앵커(951, 953)를 포함한다.
센싱부(920)는 복수의 서브 센싱부들(921, 923, 925, 927)을 포함할 수 있다. 센싱부(920)는 빛의 간섭 무늬를 이용한 레이저 간섭 리소그래피(Laser Interference Lithography)에 기초하여 나노 스케일로 형성될 수 있다.
복수의 서브 센싱부들(921, 923, 925, 927)에는 표면에 바이오 물질이 처리될 수 있다. 바이오 물질은 특정 물질과 결합할 수 있다.
복수의 서브 센싱부들(921, 923, 925, 927) 각각에 서로 다른 바이오 물질이 처리되면, 서로 다른 물질을 센싱할 수도 있고, 동일한 바이오 물질이 처리되면, 서로 동일한 물질을 센싱할 수도 있다.
센싱부(920)는 전류의 변화를 감지하는 방식 및 공진 주파수의 쉬프트(Shift) 되는 정도를 측정하는 방식을 이용하여 특정 물질을 센싱할 수 있다. 센싱부(920)는 복수의 서브 센싱부들(921, 923, 925, 927)의 표면에 처리된 바이오 물질과 특정 물질의 결합으로 인해 저항 값의 변화를 감지하는 형태로 전류의 변화를 감지할 수 있다.
바이오 물질과 특정 물질이 결합하면 복수의 서브 센싱부들(921, 923, 925, 927)의 질량이 변화한다. 질량의 변화로 인하여, 복수의 서브 센싱부들(921, 923, 925, 927)에서 생성되는 공진주파수에 변화가 발생하므로, 센싱부(920)는 공진주파수의 변화량에 따라 특정 물질을 감지할 수 있다.
에어 갭(940) 및 앵커(951, 953)는 기판(960)의 상부에 위치한다. 에어 갭(940) 및 앵커(951, 953)는 동일한 희생층에서 생성될 수 있다. 에어 갭(940)은 복수의 서브 센싱부들(921, 923, 925, 927)에서 발생하는 공진 주파수의 파 중 수직방향 성분을 반사시킴으로써, 파가 외부로 손실되지 않도록 할 수 있다.
제1 전극(910) 및 제2 전극(930)의 표면에 바이오 물질이 처리되는 경우, 센싱부(920)로 동작할 수 있다. 앵커(951, 953)는 제1 전극(910), 제2 전극(930) 및 센싱부(920)를 지지할 수 있다. 도 9에는 도시되지 않았지만, 복수의 서브 센싱부들(921, 923, 925, 927)은 공진물질 또는 도전물질로 서로 연결되어 있다.
도 10 내지 도 12는 또 다른 일실시예에 따른 나노 스케일 공진기를 나타낸 도면이다.
도 10은 고정된 형태의 기판에 형성된 브릿지 형태의 나노 스케일 공진기를 나타낸다. 고정된 형태의 기판(1010)의 상부에 입력단(1020)과 출력단(1040)이 위치하고, 입력단(1020)과 출력단(1040) 사이에는 공진층(1030)이 위치할 수 있다. 입력단(1020)에는 RF 신호가 인가될 수 있다. 공진층(1030)의 공진 주파수와 일치하는 신호가 입력되는 경우, 공진 현상이 발생하여 RF 신호가 출력단(1040)을 통해 출력될 수 있다. 이때, 공진층(1030)에는 LIL 공정을 통하여 나노 스케일로 패터닝이 이루어질 수 있다. 나노 스케일로 형성된 서브 공진기들이 공진층(1030)에 위치할 수 있다.
도 11은 플렉서블(flexible) 기판에 형성된 캔틸레버 형태의 나노 스케일 공진기를 나타낸다. 플렉서블 기판(1110)의 상부에 RF 신호를 인가하고, 인가된 RF 신호의 응답을 측정할 수 있는 측정단(1130)이 위치한다. 공진층(1120)의 일면이 측정단(1130)과 연결된다. 공진층(1120)의 길이는 공진층(1120)의 폭을 고려하여 결정될 수 있다.
도 12는 플렉서블 기판에 형성된 브릿지 형태의 나노 스케일 공진기를 나타낸다. 플렉서블 기판(1210)의 상부에 입력단(1220)과 출력단(1240)이 위치하고, 입력단(1220)과 출력단(1240) 사이에는 공진층(1230)이 위치할 수 있다. 공진층(1230)에는 LIL 공정을 통하여 나노 스케일로 패터닝이 이루어질 수 있다. 나노 스케일로 형성된 서브 공진기들이 공진층(1230)에 위치할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
Claims (18)
- 인가되는 신호에 기초하여 공진하는 나노 스케일의 공진부;
상기 공진부의 하부에 위치하고, 기판의 상부에 위치하여, 상기 공진부에서 발생하는 수직방향의 파(wave)를 반사시키는 에어 갭(Air Gap); 및
상기 에어 갭의 양면에 위치하며, 상기 에어 갭과 동일한 갭을 가지고, 상기 공진부를 지지하는 앵커(Anchor)
를 포함하고,
상기 공진부는 레이저 간섭 리소그래피(Laser Interference Lithography)에 기초하여 나노 스케일로 형성되는 복수의 서브 공진부를 포함하는
나노 스케일 공진기. - 제1항에 있어서,
상기 나노 스케일의 공진부는 빛의 간섭 무늬를 이용한 레이저 간섭 리소그래피(Laser Interference Lithography)에 기초하여 형성되고,
상기 앵커는 상기 기판의 상부에 적층된 희생층을 제거함으로써, 상기 에어 갭을 생성하는 공정과 동일한 공정에서 형성되는
나노 스케일 공진기. - 제1항에 있어서,
상기 공진부는
상기 신호가 입력 받는 제1 전극;
상기 입력 받는 신호에 기초하여 공진하는 공진층; 및
상기 공진층에서 발생한 신호를 출력하는 제2 전극
을 포함하는 나노 스케일 공진기. - 제3항에 있어서,
상기 공진층은
폴리 실리콘, 실리콘 나이트라이드 또는 금속계열의 물질로 형성되는
나노 스케일 공진기. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 복수의 서브 공진부는
선형, 원형 또는 세르팡(serpent)형 중 하나의 형태로 형성되는
나노 스케일 공진기. - 제1항에 있어서,
상기 앵커는
비저항이 10킬로 옴 센티미터(kΩcm) 이상인 물질로 형성되는
나노 스케일 공진기. - 제1항에 있어서,
상기 앵커 및 상기 에어 갭은
상기 기판의 상부에 적층된 희생층에서 상기 에어갭과 상기 앵커의 경계가 되는 골을 기준으로 상기 에어 갭에 해당하는 희생층의 부분만 식각됨으로써 형성되는
나노 스케일 공진기. - 표면 처리된 소정의 물질과 결합하는 물질에 따라 변화하는 전기적 특성에 기초하여 상기 결합하는 물질을 센싱하는 나노 스케일의 센싱부;
상기 센싱부의 하부에 위치하고, 기판의 상부에 위치하여, 상기 센싱부에서 발생하는 수직방향의 파(wave)를 반사시키는 에어 갭(Air Gap); 및
상기 에어 갭의 양면에 위치하며, 상기 에어 갭과 동일한 갭을 가지고, 상기 센싱부를 지지하는 앵커(Anchor)
를 포함하고,
상기 센싱부는 레이저 간섭 리소그래피(Laser Interference Lithography)에 기초하여 나노 스케일로 형성되는 복수의 서브 센싱부를 포함하는
나노 스케일 센서. - 제9항에 있어서,
상기 센싱부는
상기 결합하는 물질에 따라 변화하는 저항 값의 변화 또는 상기 결합하는 물질에 따라 변화하는 공진 주파수의 변화량에 기초하여 상기 결합하는 물질을 센싱하는
나노 스케일 센서. - 제9항에 있어서,
상기 나노 스케일의 센싱부는 빛의 간섭 무늬를 이용한 레이저 간섭 리소그래피(Laser Interference Lithography)에 기초하여 형성되고,
상기 앵커는 상기 기판의 상부에 적층된 희생층을 제거함으로써, 상기 에어 갭을 생성하는 공정과 동일한 공정에서 형성되는
나노 스케일 센서. - 삭제
- 기판의 상부에 희생층, 공진층 및 도전층을 순서대로 증착하는 단계;
나노 스케일 공진기의 형상에 맞게 상기 도전층을 패터닝 하는 단계;
상기 패터닝 된 도전층 상부에 포토레지스트를 증착하는 단계;
상기 포토레지스트가 증착된 영역 중 기 설정된 영역에 자외선을 조사하여, 상기 기 설정된 영역을 오픈하는 단계;
상기 오픈된 영역의 상부에 레이저 간섭 리소그래피 전용 레지스트를 증착하는 단계;
적어도 하나의 나노 스케일의 서브 공진기의 형상에 맞게 레이저 간섭 리소그래피 공정을 수행하는 단계;
상기 서브 공진기의 형상에 맞게 상기 도전층 및 상기 공진층을 식각하는 단계; 및
증기 상태의 에천트(etchant)를 이용하여 상기 희생층 중 에어 갭에 해당하는 영역을 제거하여 상기 에어 갭 및 앵커를 생성하는 단계
를 포함하는 나노 스케일 공진기의 제조 방법. - 제13항에 있어서,
상기 희생층은
실리콘 옥사이드 계열 또는 실리콘 나이트라이드 계열의 물질로 형성되는
나노 스케일 공진기의 제조 방법. - 제13항에 있어서,
상기 공진층은
니켈(Ni), 니크롬(NiCr), 크롬(Cr), 티타늄(Ti) 중 하나의 물질로 형성되는
나노 스케일 공진기의 제조 방법. - 제13항에 있어서,
상기 도전층 및 상기 공진층을 식각하는 단계는
이온 가속에 반응성 가스를 사용하는 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching) 공정을 수행하여 상기 도전층 및 상기 공진층을 식각하는
나노 스케일 공진기의 제조 방법. - 제13항에 있어서,
상기 레이저 간섭 리소그래피 전용 레지스트가 증착된 기판을 칩 형태로 절단하는 단계
를 더 포함하는 나노 스케일 공진기의 제조 방법. - 제13항에 있어서,
상기 에어 갭과 상기 앵커의 경계가 되는 골의 형상에 맞게 상기 희생층을 패터닝하는 단계를 더 포함하고,
상기 에어 갭 및 앵커를 생성하는 단계는 상기 골을 경계로 하여 상기 에어 갭에 해당하는 희생층을 제거함으로써, 상기 에어 갭 및 상기 앵커를 생성하는
나노 스케일 공진기의 제조 방법.
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