KR101999726B1 - 트렌치를 따라 주름진 멤브레인을 갖는 멤브레인 소자 및 그 제조방법과 이를 이용하는 응용장치 - Google Patents

트렌치를 따라 주름진 멤브레인을 갖는 멤브레인 소자 및 그 제조방법과 이를 이용하는 응용장치 Download PDF

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김진현
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Abstract

본 발명에 따른 멤브레인 소자는, 트렌치(T)가 형성된 트렌치 기판(10); 및 상기 트렌치(T)에서는 상기 트렌치 기판(10)과의 접합이 이루어지지 않고, 상기 트렌치(T)가 형성되지 않은 부분에서는 상기 트렌치 기판(10)의 표면과 접합이 이루어지며, 상기 트렌치(T)를 따라 힐(hill)과 밸리(valley)가 교번하게 배치되어 주름을 갖는 멤브레인(20)을 포함하여 이루어진다. 본 발명에 의하면, 트렌치(T)를 따라 주름진 멤브레인(20)을 형성함으로써 트렌치(T) 내부 또는 외부의 환경변화에 따른 멤브레인(20)의 주름 형상 변화(스트레인 변화)에 기인한 멤브레인(20)의 전기적 특성 변화 등을 통하여 각종 센서와 같은 다양한 분야에 응용될 수 있다.

Description

트렌치를 따라 주름진 멤브레인을 갖는 멤브레인 소자 및 그 제조방법과 이를 이용하는 응용장치{Membrane device having wrinkled membrane on trench and fabrication method thereof, and apparatus using the same}
본 발명은 멤브레인 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 트렌치를 따라 주름진 멤브레인을 갖는 멤브레인 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 멤브레인 소자의 다양한 응용, 예컨대 각종 센서, 레이저 등에 관한 것이기도 하다.
물질에 응력(stress)이 가해지면 그에 따른 변형(strain)이 생기게 되고 이 때 격자 구조(lattice structure)가 뒤틀리면서 전하의 이동도(mobility)나 에너지 밴드 갭(energy band gap) 등 여러 가지 전기적 특성에 영향을 미치게 된다.
예컨대 도 1에서와 같이 반도체에 변형(strain)이 발생하면 에너지 밴드 갭 특성이 변화하여 간접천이 반도체(indirect semiconductor)가 직접천이 반도체(direct semiconductor)로 변할 수 있다는 것이다.
종래에는 여과 필터(대한민국 등록특허 제1371342호, 2014.03.10.공고)나 센서(대한민국 등록특허 제1720281호, 2017.04.10.공고) 등에서 나노 멤브레인을 이용하는 기술이 선보이고 있으나, 주름진 멤브레인을 이용하는 기술에 대해서는 아직 찾아보지 못하고 있다.
대한민국 등록특허 제1371342호(2014.03.10.공고) 대한민국 등록특허 제1720281호(2017.04.10.공고)
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 트렌치를 따라 주름진 멤브레인을 형성함으로써 트렌치 내부 또는 외부의 환경변화에 따른 멤브레인의 주름 형상 변화(스트레인 변화)에 기인한 멤브레인의 전기적 특성 변화를 통하여 각종 센서와 같은 다양한 분야에 활용될 수 있는 멤브레인 소자 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다. 또한 본 발명은 상기 멤브레인 소자의 다양한 응용 제품을 제공하는 데에도 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 멤브레인 소자는,
트렌치가 형성된 트렌치 기판; 및
상기 트렌치가 형성된 부분에서는 상기 트렌치 기판과의 접합이 이루어지지 않고, 상기 트렌치가 형성되지 않은 부분에서는 상기 트렌치 기판의 표면과 접합이 이루어지며, 상기 트렌치를 따라 힐(hill)과 밸리(valley)가 교번하게 배치되어 주름을 갖는 멤브레인;을 포함하여 이루어진다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 멤브레인 소자 제조방법은,
핸들링 기판 상에 멤브레인을 형성하는 단계;
트렌치가 형성되어 있는 트렌치 기판과 상기 핸들링 기판을 접합시키되, 상기 멤브레인이 상기 트렌치 기판 쪽을 향하도록 한 상태에서 상기 트렌치의 내부가 진공이 되도록 진공 분위기 하에서 상기 핸들링 기판과 상기 트렌치 기판을 진공 접합시키는 단계;
상기 진공 접합된 결과물을 열처리하는 단계;
상기 멤브레인에서 상기 핸들링 기판을 분리 제거하는 단계; 및
상기 트렌치 내의 진공을 해제함으로써 상기 멤브레인에 상기 트렌치를 따라 힐(hill)과 밸리(valley)가 교번하게 형성되어 주름이 생기도록 하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 멤브레인은 비탄성 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 멤브레인은 반도체층, 유전체층, 또는 압전체층을 포함하여 이루어질 수 있다. 이 때, 상기 멤브레인은 상기 반도체층, 유전체층, 또는 압전체층을 지지하기 위한 지지층을 더 포함하여 다층구조를 갖는 것이 바람직하다.
상기 트렌치 기판은 실리콘 기판의 표면 일부가 노출되도록 상기 실리콘 기판 상에 실리콘 산화물 패턴층이 형성되어 이루어짐으로써 상기 실리콘 산화물 패턴층 사이의 공간이 상기 트렌치의 역할을 하고, 상기 멤브레인은 단결정 실리콘층과 실리콘 산화물층을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 트렌치 기판은 상기 실리콘 산화물 패턴층을 식각마스크로 하여 상기 실리콘 기판을 식각하여 이루어짐으로써 상기 실리콘 기판에 식각된 부위가 상기 트렌치의 역할을 할 수도 있다.
상기 핸들링 기판을 분리 제거하는 단계는 상기 트렌치 내부와 외부의 압력 차에 의해서 상기 멤브레인이 상가 트렌치 내부로 함몰되도록 대기압 하에서 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 열처리는 대기압 하에서 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 트렌치 내의 진공 해제는 상기 멤브레인 또는 상기 트렌치 기판을 일부 제거하여 상기 트렌치 내부와 외부를 연통하는 연통부를 상기 멤브레인 또는 상기 트렌치 기판에 형성함으로써 이루어질 수 있다.
상기 트렌치 내의 진공을 해제하는 단계 이후에 상기 트렌치를 외부와 차단시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 멤브레인 소자는 상기 주름의 형상 변화를 통하여 상기 멤브레인 소자 주위의 상황 변화를 감지할 수 있으므로 센서로 이용할 수 있다.
본 발명에 따른 멤브레인 소자는 멤브레인에 반도체층이 포함되어 있을 경우 레이저를 출사하는 레이저 장치로 이용할 수 있다.
본 발명에 따른 멤브레인 소자는 멤브레인에 반도체층이 포함되어 있을 경우 반도체층의 캐리어 이동도를 향상시킨 고속 반도체 장치로 응용할 수 있다.
본 발명에 의하면, 트렌치를 따라 주름진 멤브레인을 형성함으로써 트렌치 내부 또는 외부의 환경변화에 따른 멤브레인의 주름 형상 변화(스트레인 변화)에 기인한 멤브레인의 전기적 특성 변화 등을 통하여 각종 센서와 같은 다양한 분야에 응용될 수 있다.
도 1은 격자변형에 따른 에너지 밴드 갭의 특성 변화를 설명하기 위한 도면;
도 2는 본 발명에 따른 멤브레인 소자를 설명하기 위한 도면
도 3은 본 발명에 따른 멤브레인 소자의 다양한 구조를 설명하기 위한 도면;
도 4는 본 발명에 따른 멤브레인 소자에서 멤브레인(20)의 주름 형상에 영향을 미치는 인자를 설명하기 위한 도면;
도 5는 도 2의 멤브레인 소자에 대한 제조방법을 설명하기 위한 도면;
도 6은 스마트 컷 기법을 설명하기 위한 도면;
도 7은 도 3a의 멤브레인 소자에 대한 제조방법을 설명하기 위한 도면;
도 8은 도 3b의 멤브레인 소자에 대한 제조방법을 설명하기 위한 도면;
도 9는 도 3c의 멤브레인 소자에 대한 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되는 것으로 해석돼서는 안 된다.
[구조]
도 2는 본 발명에 따른 멤브레인 소자를 설명하기 위한 도면으로서, 도 2a는 평면사진이고, 도 2b는 도 2a의 A-A'선에 따른 측단면도이고, 도 2c는 도 2a의 B-B'선에 따른 측단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 멤브레인 소자는 트렌치 기판(10)에 멤브레인(20, membrane)이 접합된 구조를 갖는다.
트렌치 기판(10)은 트렌치(T)가 형성될 수 있다면 다양한 방법으로 구현될 수 있다. 도 2에서는 실리콘 기판(11)의 표면 일부가 노출되도록 실리콘 기판(11) 상에 실리콘 산화물 패턴층(12a)을 형성한 후에 실리콘 산화물 패턴층(12a)을 식각마스크로 하여 실리콘 기판(11)을 식각함으로써 트렌치(T)가 형성되는 경우를 예로 들었다.
멤브레인(20)은 트렌치(T)가 형성된 부분에서는 트렌치 기판(10)과의 접합이 이루어지지 않고, 트렌치(T)가 형성되지 않은 부분에서는 트렌치 기판(10)의 표면에 접합이 이루어진다. 멤브레인(20)은 트렌치 기판(10)과 접합되는 부분에서는 주름이 없고 접합이 이루어지지 않는 부분 즉, 트렌치(T)가 형성된 부분에서는 트렌치(T)를 따라 힐(hill)과 밸리(valley)가 교번하게 형성되어 주름이 잡힌 구조를 한다.
멤브레인(20)에 주름이 생기는 원리는 다음과 같다.
트렌치(T) 영역에서는 멤브레인(20)의 접합이 이루어지지 않아 멤브레인(20)이 공간에 떠서 평평하게 걸쳐진 상태이고, 트렌치(T)가 형성되지 않은 부분에서는 멤브레인(20)의 접합이 이루어져 고정된 상태로 두었다가, 후술하는 바와 같이 인위적으로 어떠한 외부적인 응력을 트렌치(T) 영역에 있는 멤브레인(20)에 작용시키면 트렌치(T) 영역에 평평하게 걸쳐져 있던 멤브레인(20)에 스트레인(stain)이 발생하여 약간 늘어나게 된다. 이후, 이러한 응력을 제거하면 멤브레인(20)이 탄성재질이 아닐 경우 원래의 평평한 상태로 돌아가지 못하고 응력이 제거된 새로운 상황에 맞게 변형되면서 주름이 생기게 된다. 이때 주름의 형상은 멤브레인(20)의 두께 및 재질, 트렌치(T)의 폭/길이/깊이, 트렌치(T)의 내외부 압력차 등에 영향을 받아 결정된다.
이러한 측면에서 멤브레인(20)은 비탄성 재질로 이루어지는 것이 바람직하고, 비탄성 재질이면서 변형(strain)에 따라 전기적 특성이 변할 수 있는 것이라면 반도체(semiconductor), 유전체(dielectrics), 압전체(piezoelectrics) 등 다양한 것이 선택될 수 있다.
멤브레인(20)이 위와 같이 비탄성 재질의 반도체층, 유전체층, 또는 압전체층을 포함할 경우 이러한 층들은 굴곡에 취약하여 부서지기 쉬우므로 멤브레인(20)은 이들 층을 지지하기 위한 지지층을 더 포함하는 것이 바람직하다. 도 2에서는 멤브레인(20)이 반도체층으로서의 단결정 실리콘층(22)과 지지층으로서의 실리콘 산화물층(21)을 포함하여 이루어지는 다층구조가 예로서 도시되었다.
멤브레인(20)은 주름을 가져야 하므로 적당히 얇은 두께를 갖는 것이 바람직하다. 너무 두꺼우면 주름이 형성되기 어렵고 너무 얇으면 굴곡에 버티지 못하고 파손되기 쉽기 때문이다. 멤브레인(20)이 단결정 실리콘층(22)과 실리콘 산화물층(21)이 적층된 구조를 할 경우 위와 같은 주름의 형성을 고려하면 단결정 실리콘층(22)은 110~250nm, 실리콘 산화물층(21)은 120~135nm 의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
트렌치(T)는 외부와 차단되도록 형성될 수 있고, 외부와 연통되도록 형성될 수도 있다.
트렌치(T)를 외부와 차단되도록 구성할 경우에는 트렌치(T)의 내부 환경이 외부와 다를 수 있다. 예컨대 트렌치(T)의 외부 압력이 변할 경우 이로 인하여 트렌치(T)의 내외부에서 압력차이가 발생할 수 있다는 뜻이다. 이렇게 트렌치(T)의 내부와 외부에 압력 차이가 발생하면 멤브레인(20)의 주름 형상이 변한다.
이렇게 주름 형상이 변한다는 것은 멤브레인(20)의 변형(strain) 상태가 달라진다는 것을 의미하고 이로 인해 멤브레인(20)의 전기적 특성이 변하게 되므로 이러한 원리를 이용하여 본 발명에 따른 멤브레인 소자를 압력센서로 사용할 수 있다.
트렌치(T)를 외부와 연통시키고자 할 경우에는 트렌치 기판(10)이나 멤브레인(20)을 일부 제거하여 연통공을 형성하면 될 것이다. 이 경우, 트렌치(T)의 내부 환경이 외부 환경과 같을 것이다. 예컨대 트렌치(T)의 내부와 외부의 압력차이가 없게 된다는 것이다. 이렇게 트렌치(T)의 내부와 외부의 압력차이가 없더라도 앞서 말한 바와 같은 원리로 멤브레인(20)에 주름이 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 멤브레인 소자의 다양한 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2에서는 멤브레인(20)이 반도체층으로서의 단결정 실리콘층(22)과 지지층으로서의 실리콘 산화물층(21)을 포함하는 다층구조를 할 때 단결정 실리콘층(22)이 트렌치 기판(10)에 접합되는 경우를 예로 들었지만, 이와 반대로 도 3a에서와 같이 실리콘 산화물층(21)이 트렌치 기판(10)에 접합되어도 좋다.
또한, 도 2에서는 실리콘 기판(11)을 식각하여 이를 트렌치(T)로 활용하였으나, 도 3b 및 도 3c에서와 같이 실리콘 기판(11)을 식각함이 없이 실리콘 산화물 패턴층(12a) 사이의 공간을 트렌치(T)로 활용할 수도 있다.
도 4는 본 발명에 따른 멤브레인 소자에서 멤브레인(20)의 주름 형상에 영향을 미치는 인자를 설명하기 위한 것이다.
멤브레인(20) 자체에 분포하는 응력장에 의해 멤브레인(20)에 변형(strain)이 일어나 주름(wrinkle)이 생기는 것이므로 멤브레인(20)의 주름 형상에 영향을 미치는 인자는 ① 멤브레인(20)을 구성하는 층(21, 22)의 두께(t1, t2) 및 재질 ② 트렌치(T)의 폭(W), 길이(L), 깊이(H), 모양 ③ 트렌치(T)의 내외부 압력차(P1-P2) 등이 될 수 있다. 즉, 이러한 인자를 제어하면 멤브레인(20)의 주름파장(λ) 및 스트레인(strain)을 조절할 수 있다는 것이다.
도 4b는 이러한 인자의 영향을 받아 멤브레인(20)에 다양한 형태의 주름이 형성된 것을 보여주는 사진이다. 참조번호 40은 트렌치(T)를 외부와 연통시키기 위한 채널(vacuum control channel)을 나타낸 것이다.
[제조방법]
도 5는 도 2의 멤브레인 소자에 대한 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저 도 5a에서와 같이 실리콘 기판(11) 상에 실리콘 산화물층(12)을 형성한 후, 실리콘 기판(11)의 표면 일부가 노출되도록 실리콘 산화물층(12)을 패터닝하여 실리콘 산화물 패턴층(12a)을 형성한 다음에, 실리콘 산화물 패턴층(12a)을 식각마스크로 하여 실리콘 기판(11)을 식각함으로써 실리콘 기판(11)에 트렌치(T)를 형성하여 트렌치 기판(10)을 얻는다.
한편, 도 5b에 도시된 바와 같이, 트렌치 기판(10)을 준비하는 과정과는 별도로 핸들링 기판(30) 상에 지지층으로서의 실리콘 산화물층(21)과 반도체층으로서의 단결정 실리콘층(22)이 순차적으로 적층되어 이루어지는 다층구조의 멤브레인(20)을 형성한다. 이 때, 실리콘 산화물층(21)은 다결정으로서 그 위에 단결정 실리콘층(22)이 성장될 수 없으므로 도 6에서와 같은 스마트 컷 기법을 사용하여 멤브레인(20)을 형성하는 것이 바람직하다.
반도체층으로서 단결정 실리콘층(22)을 사용하지 않고 다결정 실리콘층을 사용할 경우에는 입자(grain)의 배열이 변형(strain)에 따라 예측불가하게 변화하기 때문에 변형(strain)에 따른 멤브레인(20)의 전기적 특성 변화에 신뢰성을 부여하기 어렵게 된다. 따라서 이와 같이 반도체층으로서는 단결정이 사용되는 것이 바람직하다.
도 6을 참조하여 스마트 컷 기법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 6a에서와 같이, 단결정 실리콘 기판(22a)의 표면을 산화시켜 단결정 실리콘 기판(22a)의 표면에 실리콘 산화물층(21)을 형성하고, 단결정 실리콘 기판(22a)의 표면 소정 깊이에 이온 주입하여 단결정 실리콘 기판(22a)의 표면 소정 깊이에 스마트 컷 경계를 형성한다.
이 때, 이온 주입으로는 침투가 용이한 수소이온 주입이 바람직하고 이러한 이온주입에 의해서 격자구조(lattice structure)가 손상을 받아 이온 주입 경계에서 절단이 손쉽게 이루어진다.
이어서, 도 6b에서와 같이, 단결정 실리콘 기판(22a)과 핸들링 기판(30)을 접합시키는데, 이 때 이온 주입된 표면에 있는 실리콘 산화물층(21)이 핸들링 기판(30)에 접합되도록 한다. 실리콘 산화물층(21)의 용이한 접합을 위하여 핸들링 기판(30)으로는 실리콘 기판을 사용하는 것이 바람직하다.
이후, 도 6c에서와 같이, 스마트 컷 경계를 따라 단결정 실리콘 기판(22a)을 제거하면 도 6d에서와 같이, 핸들링 기판(30) 상에 실리콘 산화물층(21)과 단결정 실리콘층(22)이 순차적으로 적층된 구조를 얻을 수 있다.
한편, 단결정 실리콘 기판(22a)에 실리콘 산화물층(21)을 형성시키지 않고 대신에 핸들링 기판(30)에 실리콘 산화물층(21)을 형성하여 위와 같은 스마트 컷 기법을 사용하여도 동일한 구조를 얻을 수 있다.
다시, 도 5를 참조하여 제조과정을 계속 설명한다.
도 5c에서와 같이, 멤브레인(20)이 트렌치 기판(10) 쪽을 향하도록 한 상태에서 트렌치(T)의 내부가 진공이 되도록 진공 분위기 하에서 핸들링 기판(30)과 트렌치 기판(10)을 진공 접합시킨다. 그러면 트렌치(T)가 있는 부분에서는 멤브레인(20)의 접합이 이루어지지 않고, 트렌치(T)가 형성되지 않은 부분에서는 멤브레인(20)의 접합이 이루어져 트렌치(T)의 내부가 진공 상태인 구조가 얻어진다.
이후 열처리를 수행하여 핸들링 기판(30)의 단결정 실리콘층(22)과 트렌치 기판(10)의 실리콘 산화물 패턴층(12a)이 서로 물리적 또는 화학적으로 견고하게 접합되도록 한다. 이러한 열처리는 진공 접합된 결과물을 열처리장치로 이송시켜 수행될 수 있다. 열처리가 대기압 하에서 이루어져도 트렌치(T)의 진공이 해제되지는 않으므로 제조비용을 고려할 때 열처리는 대기압 하에서 이루어지는 것이 바람직하다.
이어서, 도 5d에서와 멤브레인(20)에서 핸들링 기판(30)을 분리 제거한다. 핸들링 기판(20)의 분리 제거는 대기압 하에서 이루어지는 것이 바람직하다. 핸들링 기판(20)이 있을 때에는 트렌치(T)의 내부가 진공이더라도 핸들링 기판(20)이 지지대로서의 역할을 하기 때문에 멤브레인(30)이 트렌치(T)의 내부로 함몰되어 들어가지 않았지만, 이렇게 대기압 하에서 핸들링 기판(20)이 분리 제거되면 트렌치(T)의 내부와 외부의 압력차이로 인하여 얇은 멤브레인(30)이 트렌치(T) 내로 함몰되어 들어가는 변형(strain)이 생긴다.
다음에, 도 5e에서와 같이 트렌치(T) 내의 진공을 해제한다. 그러면 트렌치(T)의 내부와 외부의 압력이 같게 되면서 멤브레인(20)은 새로운 응력장이 작용하는 상황에 놓이게 된다.
이 때 멤브레인(20)은 탄성재질이 아니므로 원래와 같이 평평한 상태로는 돌아가지 못하고 이미 도 5d에서 일어났던 변형에서 새로운 변형 상태로 전환이 이루어지게 된다. 즉, 새로운 상황에 맞게 멤브레인(20)에 변형(strain)되면서 트렌치(T)를 따라 힐(hill)과 밸리(valley)가 교번하게 형성되어 주름이 생긴다는 뜻이다.
주름의 형상은 앞서 언급한 바와 같이 멤브레인(20)의 두께 및 재질, 트렌치(T)의 폭/길이/깊이, 트렌치(T)의 내외부 압력차 등에 영향을 받아 결정된다.
트렌치(T)의 진공 해제는 멤브레인(20) 또는 트렌치 기판(10)을 일부 제거하여 트렌치(T) 내부와 외부를 연통하는 연통부(미도시)를 멤브레인(20) 또는 트렌치 기판(10)에 형성함으로써 이루어질 수 있다. 앞서 설명한 도 4b의 채널(40)이 트렌치(T)와 상기 연통부를 연결하는 역할을 하는 것이다.
한편, 도시되지는 않았지만, 도 5e의 단계이후에 트렌치(T)를 외부와 차단시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 이는 상기 연통부를 막음으로써 이루어질 수 있다.
도 7은 도 3a의 멤브레인 소자에 대한 제조방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 5와 비교하여 볼 때 멤브레인(20)의 적층순서가 반대로 되어 있어서, 도 7c의 진공 접합 과정에서 단결정 실리콘층(22)이 아닌 실리콘 산화물층(21)이 트렌치 기판(10)의 실리콘 산화물 패턴층(12a)에 접합된다는 점에서 차이가 난다.
도 8은 도 3b의 멤브레인 소자에 대한 제조방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 5와 비교하여 볼 때 실리콘 기판(11)을 식각함이 없이 실리콘 산화물 패턴층(12a) 사이의 공간을 트렌치(T)로 활용한다는 점에서 차이가 난다.
도 9는 도 3c의 멤브레인 소자에 대한 제조방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 5와 비교하여 볼 때, 멤브레인(20)의 적층순서가 반대이고, 또한 실리콘 기판(11)을 식각함이 없이 실리콘 산화물 패턴층(12a) 사이의 공간을 트렌치(T)로 활용한다는 점에서 차이가 난다.
[응용]
1. 압력센서
트렌치(T)의 내부와 외부의 압력 차이가 변함으로 인해 멤브레인(20)의 주름 형상(예: 주름 파장)이 변하게 되고, 이는 곧 멤브레인(20)의 스트레인(strain) 변화를 의미하므로 멤브레인(20)의 전기적 특성이 변하게 되며, 이러한 전기적 특성의 변화를 측정함으로써 압력 변화를 감지할 수 있다.
2. 가스센서
멤브레인(20)에 다른 물질이 접합되면 그로 인한 스트레인 변화로 인해 멤브레인(20)의 주름 형상에 변화가 발생하므로 가스센서로 활용할 수 있다.
3. 촉각/지문센서
본 발명에 따른 멤브레인 소자를 2차원적으로 배열하면 접촉에 의한 촉각/지문 센서로 활용할 수 있다.
4. 바이오센서
멤브레인(20) 상에 바이오 물질이 결합할 수 있는 층을 형성시킨 후 바이오 물질의 결합에 따른 스트레인 변화로 인한 주름 형상의 변화를 통하여 바이오센서로 응용할 수 있다.
5. 고속 반도체 트랜지스터
멤브레인(20)에 발생하는 스트레인을 통하여 반도체층의 전자 정공 이동도를 향상시킴으로써 고속 반도체 트랜지스터에 응용할 수 있다.
6. 레이저/LED
트렌치(T)의 압력을 변화시키는 등 여러 방식으로 멤브레인(20)에 다양한 스트레인을 주어 에너지 밴드 갭을 조절함으로써 다양한 파장의 레이저를 출사할 수 있는 가변 레이저에 활용할 수 있다. 또한 간접천이 반도체를 직접천이 반도체로 변화시켜 레이저를 발생토록 할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 트렌치(T)를 따라 주름진 멤브레인(20)을 형성함으로써 트렌치(T) 내부 또는 외부의 환경변화에 따른 멤브레인(20)의 주름 형상 변화(스트레인 변화)에 기인한 멤브레인(20)의 전기적 특성 변화 등을 통하여 각종 센서와 같은 다양한 분야에 응용될 수 있다.
10: 트렌치 기판 11: 실리콘 기판
12: 실리콘 산화물층 12a 실리콘 산화물 패턴층
20: 멤브레인 21: 실리콘 산화물층
22: 단결정 실리콘층 22a: 단결정 실리콘 기판
30: 핸들링 기판 40: 채널(vacuum control channel)
T: 트렌치

Claims (21)

  1. 트렌치가 형성된 트렌치 기판; 및
    상기 트렌치가 형성된 부분에서는 상기 트렌치 기판과의 접합이 이루어지지 않고, 상기 트렌치가 형성되지 않은 부분에서는 상기 트렌치 기판의 표면과 접합이 이루어지며, 상기 트렌치를 따라 힐(hill)과 밸리(valley)가 교번하게 배치되어 주름을 갖는 멤브레인;을 포함하여 이루어지는 멤브레인 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 멤브레인이 비탄성 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 멤브레인 소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 멤브레인이 반도체층, 유전체층, 또는 압전체층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 멤브레인 소자. .
  4. 제3항에 있어서, 상기 멤브레인이 상기 반도체층, 유전체층, 또는 압전체층을 지지하기 위한 지지층을 더 포함하여 다층구조를 갖는 것을 특징으로 하는 멤브레인 소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 트렌치 기판은 실리콘 기판의 표면 일부가 노출되도록 상기 실리콘 기판 상에 실리콘 산화물 패턴층이 형성되어 이루어짐으로써 상기 실리콘 산화물 패턴층 사이의 공간이 상기 트렌치의 역할을 하고, 상기 멤브레인은 단결정 실리콘층과 실리콘 산화물층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 멤브레인 소자.
  6. 제5항에 있어서, 상기 트렌치 기판은 상기 실리콘 산화물 패턴층을 식각마스크로 하여 상기 실리콘 기판을 식각하여 이루어짐으로써 상기 실리콘 기판에 식각된 부위가 상기 트렌치의 역할을 하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 소자.
  7. 핸들링 기판 상에 멤브레인을 형성하는 단계;
    트렌치가 형성되어 있는 트렌치 기판과 상기 핸들링 기판을 접합시키되, 상기 멤브레인이 상기 트렌치 기판 쪽을 향하도록 한 상태에서 상기 트렌치의 내부가 진공이 되도록 진공 분위기 하에서 상기 핸들링 기판과 상기 트렌치 기판을 진공 접합시키는 단계;
    상기 진공 접합된 결과물을 열처리하는 단계;
    상기 멤브레인에서 상기 핸들링 기판을 분리 제거하는 단계; 및
    상기 트렌치 내의 진공을 해제함으로써 상기 멤브레인에 상기 트렌치를 따라 힐(hill)과 밸리(valley)가 교번하게 형성되어 주름이 생기도록 하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 소자 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 멤브레인이 비탄성 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 멤브레인 소자 제조방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 멤브레인이 반도체층, 유전체층, 또는 압전체층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 멤브레인 소자 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 멤브레인이 상기 반도체층, 유전체층, 또는 압전체층을 지지하기 위한 지지층을 더 포함하여 다층구조를 갖는 것을 특징으로 하는 멤브레인 소자 제조방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 핸들링 기판을 분리 제거하는 단계는 상기 트렌치 내부와 외부의 압력 차에 의해서 상기 멤브레인이 상가 트렌치 내부로 함몰되도록 대기압 하에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 멤브레인 소자 제조방법.
  12. 제7항에 있어서, 상기 열처리가 대기압 하에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 멤브레인 소자 제조방법.
  13. 제7항에 있어서, 상기 트렌치 내의 진공 해제는 상기 멤브레인 또는 상기 트렌치 기판을 일부 제거하여 상기 트렌치 내부와 외부를 연통하는 연통부를 상기 멤브레인 또는 상기 트렌치 기판에 형성함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 멤브레인 소자 제조방법.
  14. 제7항에 있어서, 상기 트렌치 내의 진공을 해제하는 단계 이후에 상기 트렌치를 외부와 차단시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 소자 제조방법.
  15. 제7항에 있어서, 상기 트렌치 기판은 실리콘 기판의 표면 일부가 노출되도록 상기 실리콘 기판 상에 실리콘 산화물 패턴층이 형성되어 이루어짐으로써 상기 실리콘 산화물 패턴층 사이의 공간이 상기 트렌치의 역할을 하고, 상기 핸들링 기판은 단결정 실리콘 기판이며, 상기 멤브레인은 단결정 실리콘층과 실리콘 산화물층을 포함하여 이루어지는 다층구조를 하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 소자 제조방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 트렌치 기판은 상기 실리콘 산화물 패턴층을 식각마스크로 하여 상기 실리콘 기판을 식각하여 이루어짐으로써 상기 실리콘 기판에 식각된 부위가 상기 트렌치의 역할을 하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 소자 제조방법.
  17. 제7항에 있어서, 상기 멤브레인을 형성하는 단계가,
    상기 핸들링 기판으로서의 실리콘 기판 상에 단결정 실리콘층을 형성하는 단계; 및
    상기 단결정 실리콘층 상에 실리콘 산화물층을 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 소자 제조방법.
  18. 제7항에 있어서, 상기 멤브레인을 형성하는 단계가,
    단결정 실리콘 기판의 표면을 산화시켜 상기 단결정 실리콘 기판의 표면에 실리콘 산화물층을 형성하는 단계;
    상기 단결정 실리콘 기판의 표면 소정 깊이에 이온 주입하여 상기 단결정 실리콘 기판의 표면 소정 깊이에 스마트 컷 경계를 형성하는 단계;
    상기 이온 주입된 표면에 있는 실리콘 산화물층이 상기 핸들링 기판에 접하도록 상기 단결정 실리콘 기판과 상기 핸들링 기판을 접합하는 단계; 및
    상기 스마트 컷 경계를 따라 상기 단결정 실리콘 기판을 제거하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 소자 제조방법.
  19. 제1항의 멤브레인 소자에서 상기 주름의 형상 변화를 통하여 상기 멤브레인 소자 주위의 상황 변화를 감지하는 것을 특징으로 하는 센서.
  20. 제1항의 멤브레인 소자에서 상기 멤브레인이 반도체층을 포함함으로써 상기 반도체층에서 레이저가 출사되도록 하는 레이저 장치.
  21. 제1항의 멤브레인 소자에서 상기 멤브레인이 반도체층을 포함함으로써 상기 반도체층의 캐리어 이동도를 향상시킨 고속 반도체 장치.
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