KR102168995B1 - 미세 구멍을 활용한 실리콘 나노와이어 기반 압저항 감지 방식의 압력센서의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘 나노와이어 기반 압력센서의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 실리콘 기판 상면의 산화막의 미세 구멍을 활용하여 공동 영역과 산화막에 선택적인 실리콘 질화막 증착이 가능해 짐에 따라 웨이퍼 본딩 없이도 압력센서 구조에 필수적인 다이어프램 및 공동 구조체 구현이 가능한 압력센서를 제조하는 방법이 제공된다. 실시예에 따른 실리콘 나노와이어 기반 압력센서의 제조 방법은 실리콘 기판에 실리콘 나노와이어 및 센서 구조물을 형성하는 제1 단계; 상기 실리콘 기판에 열산화 공정을 통해 산화막을 형성하는 제2 단계; 상기 열산화 공정을 통해 생성된 산화막에 미세 구멍을 패터닝하는 제3 단계; 상기 미세 구멍을 통해 상기 실리콘 기판의 공동에 대응하는 함몰 영역을 산화막 하부에 형성하는 제4 단계; 및 상기 미세 구멍을 포함하는 산화막 및 상기 실리콘 나노와이어 상에 실리콘 질화막을 증착하여 다이어프램을 형성하는 제5 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 실리콘 나노와이어 기반 압력센서의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 실리콘 기판 상면의 산화막의 미세 구멍을 활용하여 공동 영역과 산화막에 선택적인 실리콘 질화막 증착이 가능해 짐에 따라 웨이퍼 본딩 없이도 압력센서 구조에 필수적인 다이어프램 및 공동 구조체 구현이 가능한 압력센서를 제조하는 방법에 관련된다.
[국가지원 연구개발에 대한 설명]
본 연구는 보건복지부, 마이크로 의료 로봇 실용화 기술 개발 사업(마이크로 의료 로봇용 진단 모듈 개발, 과제 고유번호: 1465029326, 세부과제번호: HI19C0642040019)의 지원에 의하여 이루어진 것이다.
도 1은 종래의 저항형 감지 방식의 압력센서를 설명하기 위한 개념도로, 멤스(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS) 공정을 기반한다. 저항의 변화가 발생되는 감지구조체로서 대표적으로 실리콘 나노와이어가 활용될 수 있다. 도 1을 참조하면, 부유된 나노와이어가 실리콘 질화막 등의 절연체로 구성된 다이어프램 안에 포함되어 있으며, 그 하부에는 공동(cavity)이 형성되어 있다. 이때 외부 압력에 대한 다이어프램의 변형은 나노와이어에 가해지는 응력변화로 연결되며, 우수한 압저항 특성을 가진 실리콘 나노와이어는 이에 대응되는 저항변화 값을 가진다. 한편, 공동의 경우 목적하는 압력센서 감지 범위 중 최대압력이 인가될 시 다이어프램의 변형에 왜곡이 발생하지 않도록 충분한 공간을 확보하며 동시에 외부 압력환경 대비 일정한 압력수준을 유지하기 위해서 닫힌 구조로 설계된다.
그러나 도 1을 참조하면, 감지구조체인 나노와이어를 다이어프램이 포함할 수 있도록 화학 기상 증착 공정을 진행하는데, 이때 나노와이어 주변에 기 형성된 함몰영역이 실리콘 질화막 등의 물질로 채워지면서 공동으로 활용되지 못하게 된다. 이로 인해 공동 구조물을 구현하기 위해서 웨이퍼 본딩 공정 및 습식 식각 공정 등이 추가되어야 한다. 이렇게 구현된 공동에서의 일정한 압력 유지를 위해서는 한번 더 웨이퍼 본딩 공정이 추가되어야 함으로 공정의 복잡성이 증가한다.
본 발명은 상기에 언급한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 화학 기상 증착 공정을 통해 실리콘 질화막을 증착하여 다이어프램을 형성할 시, 공동 영역으로 실리콘 질화막이 침범하지 않으며, 공정 순서의 복잡성을 해소할 수 있는 실리콘 나노와이어 기반 압력센서의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 실리콘 나노와이어 기반 압력센서의 제조 방법은 실리콘 기판에 실리콘 나노와이어 및 센서 구조물을 형성하는 제1 단계; 상기 실리콘 기판에 열산화 공정을 통해 산화막을 형성하는 제2 단계; 상기 열산화 공정을 통해 생성된 산화막에 미세 구멍을 패터닝하는 제3 단계; 상기 미세 구멍을 통해 상기 실리콘 기판의 공동에 대응하는 함몰 영역을 산화막 하부에 형성하는 제4 단계; 및 상기 미세 구멍을 포함하는 산화막 및 상기 실리콘 나노와이어 상에 실리콘 질화막을 증착하여 다이어프램을 형성하는 제5 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 실리콘 기판 상면에 열산화 공정을 통해 형성된 산화막에 일정한 간격을 가지며 분포되어 있는 미세 구멍을 형성함으로써, 앞서 언급한 종래의 저항형 감지 방식의 압력센서가 가지는 문제점을 보완할 수 있다. 보다 상세하게는 산화막에 형성한 미세 구멍 패턴을 통해서 실리콘 건식 식각 공정 및 습식 식각 공정을 진행하고 나면 목적하는 깊이를 가진 함몰 영역을 형성할 수 있다.
또한 나노와이어를 포함하는 다이어프램 구조물을 형성하기위해서 화학 기상 증착 공정을 통한 실리콘 질화막을 증착할 시, 기 형성된 산화막에서의 미세 구멍을 통과하지 못하고 대부분의 반응기체가 산화막의 상부에서만 반응한다. 즉, 산화막에 선택적인 실리콘 질화막 증착을 제공할 수 있어 기형성된 함몰 영역을 공동으로 활용할 수 있게 된다. 즉, 공동 형성을 위한 추가적인 공정, 웨이퍼 본딩 없이도 압력센서 구조에 필수적인 다이어프램 및 공동 구조체 구현을 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 저항형 감지 타입 압력센서를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노와이어 기반 압저항 방식의 압력 센서의 제조 방법의 순서도이다.
도 3a 내지 도 3c는 산화막이 형성된 실리콘 기판의 구조를 도시하는 예시도이다.
도 4a 내지 도 4c는 제1 기판에 감광제가 패터닝된 상태를 도시한다.
도 5a 내지 도 5c는 이산화 규소 건식 식각 공정을 통해 산화막을 패터닝하고, 감광제를 제거한 상태를 도시한다.
도 6a 내지 도 6c는 실리콘 건식 식각 공정을 통해 상기 도 5a 내지 도 5c에서 구현한 실리콘 산화막 패턴에 따라 나노 칼럼 구조물과 센서 칼럼 구조물 및 이에 대응되는 함몰 영역을 형성한 결과를 도시한다.
도 7a 내지 도 7c는 열산화 공정을 통해 산화막을 형성한 결과를 도시한다.
도 8a 내지 도 8c는 열산화 공정을 통해 형성된 산화막에 미세 구멍 패턴을 포함하는 감광제가 패터닝된 상태를 도시한다.
도 9a 내지 도 9c는 이산화 규소 건식 식각 공정을 통해 산화막에 미세 구멍을 패터닝하고, 감광제를 제거한 상태를 도시한다.
도 10a 내지 도 10c는 건식 식각 공정을 통해 상기 미세 구멍을 수직 방향으로 더 확장한 상태를 도시한다.
도 11a 내지 도 11c는 습식 식각 공정을 통해 상기 실리콘 나노와이어 및 센서 구조물을 부유시킨 상태를 도시한다.
도 12a 내지 도 12c는 미세 구멍을 포함하는 산화막 및 상기 실리콘 나노와이어 상에 실리콘 질화막을 증착하여 다이어프램을 형성한 상태를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노와이어 기반 압저항 방식의 압력 센서의 제조 방법의 순서도이다.
도 3a 내지 도 3c는 산화막이 형성된 실리콘 기판의 구조를 도시하는 예시도이다.
도 4a 내지 도 4c는 제1 기판에 감광제가 패터닝된 상태를 도시한다.
도 5a 내지 도 5c는 이산화 규소 건식 식각 공정을 통해 산화막을 패터닝하고, 감광제를 제거한 상태를 도시한다.
도 6a 내지 도 6c는 실리콘 건식 식각 공정을 통해 상기 도 5a 내지 도 5c에서 구현한 실리콘 산화막 패턴에 따라 나노 칼럼 구조물과 센서 칼럼 구조물 및 이에 대응되는 함몰 영역을 형성한 결과를 도시한다.
도 7a 내지 도 7c는 열산화 공정을 통해 산화막을 형성한 결과를 도시한다.
도 8a 내지 도 8c는 열산화 공정을 통해 형성된 산화막에 미세 구멍 패턴을 포함하는 감광제가 패터닝된 상태를 도시한다.
도 9a 내지 도 9c는 이산화 규소 건식 식각 공정을 통해 산화막에 미세 구멍을 패터닝하고, 감광제를 제거한 상태를 도시한다.
도 10a 내지 도 10c는 건식 식각 공정을 통해 상기 미세 구멍을 수직 방향으로 더 확장한 상태를 도시한다.
도 11a 내지 도 11c는 습식 식각 공정을 통해 상기 실리콘 나노와이어 및 센서 구조물을 부유시킨 상태를 도시한다.
도 12a 내지 도 12c는 미세 구멍을 포함하는 산화막 및 상기 실리콘 나노와이어 상에 실리콘 질화막을 증착하여 다이어프램을 형성한 상태를 도시한다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시 예를 예시로서 도시하는 첨부 도면들을 참조한다. 상세한 설명의 실시예들은 당업자가 본 발명을 실시하기 위한 상세 설명을 개시하는 목적으로 제공된다.
본 발명의 각 실시 예들은 서로 상이한 경우를 설명할 수 있으나, 그것이 각 실시 예들이 상호 배타적임을 의미하는 것은 아니다. 예를 들어, 상세한 설명의 일 실시 예와 관련하여 설명된 특정 형상, 구조 및 특성은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예에서도 동일하게 구현될 수 있다. 또한, 여기서 개시되는 실시 예들의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양하게 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 첨부된 도면들에서 각 구성 요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제 적용되는 크기와 같거나 유사할 필요는 없다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노와이어 기반 압저항 방식의 압력 센서의 제조 방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노와이어 기반 압저항 방식의 압력 센서의 제조 방법의 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노와이어 기반 압저항 방식의 압력 센서의 제조 방법은 실리콘 기판에 실리콘 나노와이어 및 센서 구조물을 형성하는 제1 단계(S100); 상기 실리콘 기판에 열산화 공정을 통해 산화막을 형성하는 제2 단계(S110); 상기 열산화 공정을 통해 생성된 산화막에 미세 구멍을 패터닝하는 제3 단계(S120); 상기 미세 구멍을 통해 상기 실리콘 기판의 공동에 대응하는 함몰 영역을 산화막 하부에 형성하는 제4 단계(S130); 및 상기 실리콘 기판의 미세 구멍을 포함하는 산화막에 실리콘 질화막을 증착하여 다이어프램을 형성하는 제5 단계(S140)를 포함한다.
먼저, 실리콘 기판에 실리콘 나노와이어 및 센서 구조물을 형성한다(S100).
상기 단계(S100)는 상기 실리콘 기판 상에 실리콘 산화막을 증착하는 제a 단계; 상기 실리콘 산화막에 실리콘 나노와이어 및 센서 구조물 패턴을 형상화하는 제b 단계; 및 상기 실리콘 기판에서 상기 실리콘 산화막과 오버랩되지 않은 영역을 실리콘 건식 식각 공정을 통해 식각하여 상기 실리콘 나노와이어 및 상기 센서 구조체의 두께를 결정하는 제c 단계를 포함한다.
도 3a 내지 도 3c는 산화막이 형성된 실리콘 기판의 구조를 도시하는 예시도이다. 도 3a는 산화막이 형성된 실리콘 기판의 전체적인 구조를 도시한 사시도, 도 3b는 실리콘 기판의 평면도, 도 3c는 A-A', B-B', C-C'에 따라 실리콘 기판을 절단한 단면을 각각 도시하는 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(100)은 일면 상에 실리콘 산화막(102)이 형성될 수 있다. 실리콘 기판(100)은 SOI(Silicon on Insulator) 기판일 수 있다. 실리콘 기판(100)은 실리콘(101), 실리콘 산화막(102), 실리콘(101)이 순차적으로 적층된 구조일 수 있다. 상부에 위치한 실리콘(101) 상에 실리콘 산화막(102)이 더 형성될 수 있다. 실리콘 산화막(102)은 CVD(Chemical Vapor Deposition), PVD(Physical Vapor Deposition), ALD(Atomic Layer Deposition), 열산화(Thermal Oxidation) 등 다양한 방법으로 형성될 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 제1 기판(100)에 감광제(103)가 패터닝된 상태를 도시한다. 도 5a 내지 도 5c는 이산화 규소 건식 식각 공정을 통해 산화막을 패터닝하고, 감광제를 제거한 상태를 도시한다.
상기 제1 기판의 일면 상에 형성된 실리콘 산화막에 상기 실리콘 나노와이어 패턴 및 상기 센서 구조체 패턴을 형상화하는 단계는, 노광(Photolithography) 공정을 통해 상기 실리콘 산화막 상에 감광제(103)를 패터닝하고, 상기 패터닝된 감광제에 따라 이산화 규소 건식 식각 공정을 통해 상기 실리콘 나노와이어 패턴 및 상기 센서 구조체 패턴을 형상화하는 것을 포함할 수 있다.
실리콘 산화막(102) 상에 감광제(103)를 패터닝하는 것은 노광 공정(Photolithography)을 통해 수행될 수 있으며, 이러한 감광제 패턴(103)은 나노와이어 패턴(103A)과 센서 구조물 패턴(103B)을 구분하도록 생성될 수 있다. 나노와이어 패턴(103A)은 실리콘 나노와이어 형성을 위한 패턴으로 센서 구조물 패턴(103B)보다 미세한 폭으로 패터닝될 수 있다. 도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 나노와이어 패턴(103A)의 폭이 센서 구조물 패턴(103B)보다 얇은 폭을 가지도록 패터닝된 상태임을 확인할 수 있다. 여기서, 센서 구조물은 실리콘 칼럼 구조물일 수 있으며, 나노와이어에 응력이 발생하여 저항이 변하는 수준을 감지하는데 필요한 전극 및 기타 구성을 포함할 수 있다.
산화막(102) 상에 형성된 감광제 패턴(103)에 대응되도록 산화막(102)은 이산화 규소 건식 식각 공정을 통해 패터닝될 수 있다. 도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 나노와이어 패턴(102A)과 센서 구조물 패턴(102B)이 산화막(102)을 선택적으로 식각하는 상기 공정을 통해 생성된 것을 확인할 수 있다. 위 패턴은 다음단계에서 실리콘 기판(100)에 실리콘 나노와이어와 센서 구조물이 구현되도록 활용될 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 실리콘 건식 식각 공정을 통해 실리콘 나노와이어와 센서 구조물 및 함몰 영역(104)을 형성한 결과를 도시한다. 도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 상부에 산화막(102)이 배치되지 않은 실리콘(101)에 대한 식각 공정이 실리콘 건식 식각 공정을 통해 수행될 수 있다. 상부에 산화막(102)이 배치되지 않아 실리콘 건식 식각 공정을 통해 식각되는 영역은 함몰 영역(104)으로 정의될 수 있다. 여기서, 산화막(102)에 포함된 나노와이어 패턴(102A)과 센서 구조물 패턴(102B)은 일종의 마스크로써 하부에 배치된 실리콘(101)의 식각을 방지할 수 있다. 도 6c에 도시된 바와 같이, 나노와이어 패턴(102A)과 센서 구조물 패턴(102B)에 각각 대응되어 실리콘 나노와이어(101A)와 센서 구조물(101B)이 형성될 수 있다. 식각된 실리콘(101)의 높이(H)는 실리콘 나노와이어(101A)의 두께로 정의될 수 있다. 실리콘 건식 식각 공정 조건을 조절하여 목적하는 실리콘 나노와이어의 두께를 구현할 수 있다.
다음으로, 실리콘 기판에 열산화 공정을 통해 산화막을 형성한다(S110).
열산화 공정을 통해 실리콘 기판(101)의 실리콘(101)은 산화되어 산화막(102')이 형성될 수 있다. 도 7a 내지 도 7c는 열산화 공정을 통해 산화막을 형성한 결과를 도시한다.
도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 실리콘(101)의 표면에서부터 내부로 열산화됨에 따라 산화막(102')은 형성될 수 있다. 따라서, 함몰 영역(104) 내에 위치한 실리콘(101)의 일면으로부터 내부로 산화막(102’)이 형성된다. 즉, 실리콘(101)의 상부뿐만 아니라, 실리콘 나노와이어(101A), 센서 구조물(101B)에도 산화막(102’)이 형성될 수 있다. 산화막(102’)의 형성에 따라 실리콘 나노와이어(101A)의 폭은 감소될 수 있다. 즉, 목적하는 실리콘 나노와이어(101A)의 폭(W)이 되도록 산화막 형성 공정의 시간을 조절할 수 있다. 산화막(102’)의 형성에 따라 실리콘 나노와이어(101A)의 폭(W)이 결정될 수 있다. 즉, 상술한 실리콘 건식 식각 공정 조건과 상기 산화막 공정을 개별적으로 수행함에 따라, 목적하는 실리콘 나노와이어 두께와 폭을 결정될 수 있다. 또한, 이러한 공정을 통해 실리콘 나노와이어(101A) 및 센서 구조물(101B)은 상부가 산화막(102), 측면은 열산화 공정을 통해 생성되는 산화막(102’)으로 둘러싸이게 된다.
다음으로, 열산화 공정을 통해 생성된 산화막에 미세 구멍을 패터닝한다(S120).
상기 단계(S120)는 상기 산화막 상에 미세 구멍 패턴을 포함하는 감광제를 패터닝하는 단계; 및 이산화 규소 건식 식각 공정을 통해 산화막에 미세 구멍을 패터닝하고, 감광제를 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 도 8a 내지 도 8c는 열산화 공정을 통해 형성된 산화막에 미세 구멍 패턴을 포함하는 감광제가 패터닝된 상태를 도시한다. 도 9a 내지 도 9c는 이산화 규소 건식 식각 공정을 통해 산화막에 미세 구멍을 패터닝하고, 감광제를 제거한 상태를 도시한다.
도 8a 내지 도 8c를 참조하면, 열산화 공정에 의해 생성된 산화막(102') 상에 미세 구멍(m)을 포함하는 감광제(103)가 패터닝될 수 있다. 제1 단계(S100)를 통해 증착된 실리콘 산화막(120)에도 이러한 감광제(103)가 도포될 수 있으나, 실리콘 산화막(120) 상에 형성되는 감광제(103)에는 이러한 미세 구멍(m) 패터닝을 진행하지 않는다.. 이어서, 이산화 규소 건식 식각 공정을 통해 산화막(102')에 미세 구멍을 패터닝하고, 감광제를 제거한다. 상술한 바와 같이, 열산화 공정에 의해 생성된 산화막(102') 상에만 미세 구멍(m)을 포함하는 감광제(103)가 형성되는 바, 산화막(102')에만 선택적으로 미세 구멍(m')이 패터닝될 수 있다. 실리콘 산화막(102)에는 미세 구멍이 패터닝되지 않는다.
산화막(102')에 미세 구멍(m')은 복수로 형성될 수 있으며, 미세 구멍(m')은 일정한 간격을 가지도록 분포되어 산화막(102')에 형성될 수 있다. 또한, 미세 구멍(m')은 습식 식각 공정에 사용되는 알칼리계 수용액이 통과할 수 있는 사이즈로 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 미세 구멍을 통해 실리콘 기판의 공동에 대응하는 함몰 영역을 실리콘 나노와이어 및 센서 구조물의 하부에 형성한다(S130).
상기 단계(S130)는 건식 식각 공정을 통해 상기 미세 구멍을 수직 방향으로 더 확장하는 단계; 및 습식 식각 공정을 통해 산화막, 상기 실리콘 나노와이어 및 센서 구조물을 부유시키는 단계를 포함한다.
도 10a 내지 도 10c는 건식 식각 공정을 통해 상기 미세 구멍을 수직 방향으로 더 확장한 상태를 도시한다. 도 11a 내지 도 11c는 습식 식각 공정을 통해 상기 실리콘 나노와이어 및 센서 구조물을 부유시킨 상태를 도시한다.
도 10a 내지 도 10c를 참조하면, 산화막(102')에 형성된 미세 구멍(m')이 수직 방향으로 더 식각된 것을 확인할 수 있다. 실리콘 산화막(102)과 산화막(102')은 마스크로써 기능을 한다. 실리콘 산화막(102) 하부에 위치한 실리콘 나노와이어(101A) 및 센서 구조물(101B)과 산화막(102')의 하부에 위치한 실리콘(101)은 수직 식각되지 않는다. 즉, 실리콘 건식 식각 공정을 통해 미세 구멍(m')의 하부에 위치한 실리콘(101)이 식각될 수 있으며, 이로 인해 미세 구멍(m')은 수직 방향으로 더 확장될 수 있다.
습식 식각 공정을 통해 산화막(102'), 상기 실리콘 나노와이어(101A) 및 센서 구조물(102B)이 부유될 수 있다. 상술한 바와 같이, 미세 구멍(m')은 습식 식각 공정에 사용되는 알칼리계 수용액이 통과할 수 있는 사이즈로 형성될 수 있다. 미세 구멍(m')을 통과한 알칼리계 수용액은 비등방성 실리콘 식각 반응을 통해 산화막(102')의 하부에 위치한 실리콘(101)과 실리콘 나노와이어(101A) 및 센서 구조물(102B)의 하부에 위치한 실리콘(101)을 습식 식각하여 제거할 수 있다. 이러한 습식 식각 공정에는, 비등방성 식각 특성을 가지는 알칼리계 수용액으로서 수산화칼륨(KOH), 테트라메틸암모늄하이드록사이드(Tetra-methyl-ammonium-hydroxide; TMAH) 또는 에틸렌다이민피로카테콜(ethylene diamine pyrocatechol, EDP)이 활용될 수 있다.
이러한, 실리콘 습식 식각 공정을 통해 도 11a 내지 도 11c에 도시된 바와 같이, 산화막(102'), 상기 실리콘 나노와이어(101A) 및 센서 구조물(102B)이 부유될 수 있다. 산화막(102')은 미세 구멍(m')을 포함한 상태로 부유될 수 있다. 또한, 실리콘 습식 식각 공정을 통해 생성된 함몰 영역(104)은 이후 단계에서 상부가 밀봉됨에 따라 공동(Cavity)으로 기능하게 된다.
마지막으로, 상기 미세 구멍을 포함하는 산화막 및 상기 실리콘 나노와이어 상에 실리콘 질화막을 증착하여 다이어프램을 형성한다(S150).
도 12a 내지 도 12c는 미세 구멍을 포함하는 산화막 및 상기 실리콘 나노와이어 상에 실리콘 질화막을 증착하여 다이어프램을 형성한 상태를 도시한다.
도 12a 내지 도 12c를 참조하면, 화학 기상 증착 공정 등을 통해 다이어프램으로 기능할 실리콘 질화막(105)을 산화막(102') 및 실리콘 나노와이어(101A)에 형상한다. 이러한 실리콘 질화막(105)은 센서 구조물(101B)에도 형성될 수 있다. 또한, 실리콘 나노와이어(101A)와 센서 구조물(101B) 상부에는 실리콘 산화막(102)이 형성된 상태이므로 실리콘 산화막(102)을 통해 실리콘 나노와이어(101A)는 다이어프램으로 기능하는 실리콘 질화막(105)과 연결될 수 있다. 공중에 부유된 실리콘 산화막(102)과 실리콘 나노와이어(101A)의 상부에 형성된 실리콘 질화막(105)은 부유된 다이어프램으로 동작하게 된다. 실리콘 질화막(105)은 외부 압력에 따라 변형되는 얇은 판막인 다이어프램으로 기능할 수 있게 되며, 실리콘 질화막(105)에 결합된 나노와이어(101A)은 다이어프램의 변형에 따라 응력이 발생하여 저항이 변화할 수 있다. 나노와이어(101A)와 연결된 센서 구조물(101B)은 이러한 나노와이어(101A)의 저항 변화신호를 전극으로 전달한다. 즉, 나노와이어에 기반한 압력 센서가 제공될 수 있다.
이러한, 실리콘 질화막(105)을 화학 기상 증착 공정을 통해 산화막(102') 및 실리콘 나노와이어(101A) 상에 형성하는 경우, 공정의 초기 단계에서는 산화막(102')에 포함된 미세 구멍(m')을 통해 함몰 영역(104)으로의 실리콘 질화막(105) 증착도 진행될 수 있다. 도 12c에 도시된 바와 같이, 함몰 영역(104)의 바닥 부분에는 실리콘 질화막(105')이 일부 증착된 것을 확인할 수 있다. 또한, 산화막(102')에 포함된 미세 구멍(m')에도 실리콘 질화막(105)이 증착될 수 있다. 즉, 화학 기상 증착 공정이 진행됨에 따라 미세 구멍(m')은 실리콘 질화막의 증착에 의해 막히게 되고, 함몰 영역(104)으로의 실리콘 질화막(105')의 침투가 차단되게 된다. 이에 따라, 대부분의 반응 기체가 산화막(102')의 상부에서 반응을 하게 되며, 높은 품질의 실리콘 질화막(105)이 산화막(102')과 실리콘 나노와이어(101A)의 상부, 구체적으로 실리콘 산화막(102)의 상부에 증착되게 된다. 또한, 함몰 영역(104)은 산화막(102')의 미세 구멍(m')이 실리콘 질화막(105)에 의해 막힘에 따라, 닫힌 구조가 되며, 실리콘 질화막(105)이 계속 증착되는 것이 차단될 수 있다. 따라서, 함몰 영역(104)은 공동(Cavity)으로 기능할 수 있게 된다.
본 발명에 따르면, 실리콘 기판 상면에 열산화 공정을 통해 형성된 산화막에 일정한 간격을 가지며 분포되어 있는 미세 구멍을 형성함으로써, 앞서 언급한 종래의 저항형 감지 방식의 압력센서가 가지는 문제점을 보완할 수 있다. 보다 상세하게는 산화막에 형성한 미세 구멍 패턴을 통해서 실리콘 건식 식각 공정 및 습식 식각 공정을 진행하고 나면 목적하는 깊이를 가진 함몰 영역을 형성할 수 있다.
또한 나노와이어를 포함하는 다이어프램 구조물을 형성하기 위한 화학 기상 증착 공정 진행 시, 기 형성된 산화막에서의 미세 구멍을 통과하지 못하고 대부분의 반응기체가 산화막의 상부에서만 반응한다. 즉, 산화막에 선택적인 실리콘 질화막 증착을 제공할 수 있어 기형성된 함몰 영역을 공동으로 활용할 수 있게 된다. 즉, 공동 형성을 위한 추가적인 공정, 웨이퍼 본딩 없이도 압력센서 구조에 필수적인 다이어프램 및 공동 구조체 구현을 제공할 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 실리콘 기판 101: 실리콘
102: 실리콘 산화막 102': 산화막
103: 감광제 104: 함몰 영역
102: 실리콘 산화막 102': 산화막
103: 감광제 104: 함몰 영역
Claims (8)
- 실리콘 기판에 실리콘 나노와이어 및 센서 구조물을 형성하는 제1 단계;
상기 실리콘 기판에 열산화 공정을 통해 산화막을 형성하는 제2 단계;
상기 열산화 공정을 통해 생성된 산화막에 미세 구멍을 패터닝하는 제3 단계;
상기 미세 구멍을 통해 상기 실리콘 기판의 공동에 대응하는 함몰 영역을 산화막 하부에 형성하는 제4 단계; 및
상기 미세 구멍을 포함하는 산화막 및 상기 실리콘 나노와이어 상에 실리콘 질화막을 증착하여 다이어프램을 형성하는 제5 단계를 포함하고,
상기 제1 단계는,
상기 실리콘 기판 상에 실리콘 산화막을 증착하는 제a 단계;
상기 실리콘 산화막에 실리콘 나노와이어 및 센서 구조물 패턴을 형상화하는 제b 단계; 및
상기 실리콘 기판에서 상기 실리콘 산화막과 오버랩되지 않은 영역을 실리콘 건식 식각 공정을 통해 식각하여 상기 실리콘 나노와이어 및 상기 센서 구조물의 두께를 결정하는 제c 단계를 포함하는 나노와이어 기반 압저항 방식의 압력 센서의 제조 방법. - 삭제
- 제1 항에 있어서
상기 제b 단계는, 노광(Photolithography) 공정을 통해 상기 실리콘 산화막 상에 감광제를 패터닝하고, 상기 패터닝된 감광제에 따라 이산화 규소 건식 식각 공정을 통해 상기 실리콘 나노와이어 패턴 및 상기 센서 구조물 패턴을 형상화하는 것을 포함하는 나노와이어 기반 압저항 방식의 압력 센서의 제조 방법. - 제1 항에 있어서
상기 열산화 공정을 통해 상기 실리콘 나노와이어 및 상기 센서 구조물의 폭이 결정되는 것을 특징으로 하는 나노와이어 기반 압저항 방식의 압력 센서의 제조 방법. - 실리콘 기판에 실리콘 나노와이어 및 센서 구조물을 형성하는 제1 단계;
상기 실리콘 기판에 열산화 공정을 통해 산화막을 형성하는 제2 단계;
상기 열산화 공정을 통해 생성된 산화막에 미세 구멍을 패터닝하는 제3 단계;
상기 미세 구멍을 통해 상기 실리콘 기판의 공동에 대응하는 함몰 영역을 산화막 하부에 형성하는 제4 단계; 및
상기 미세 구멍을 포함하는 산화막 및 상기 실리콘 나노와이어 상에 실리콘 질화막을 증착하여 다이어프램을 형성하는 제5 단계를 포함하고,
상기 제3 단계는,
상기 산화막 상에 미세 구멍 패턴을 포함하는 감광제를 형성하는 단계; 및
이산화 규소 건식 식각 공정을 통해 상기 산화막에 미세 구멍을 패터닝하고, 감광제를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노와이어 기반 압저항 방식의 압력 센서의 제조 방법. - 실리콘 기판에 실리콘 나노와이어 및 센서 구조물을 형성하는 제1 단계;
상기 실리콘 기판에 열산화 공정을 통해 산화막을 형성하는 제2 단계;
상기 열산화 공정을 통해 생성된 산화막에 미세 구멍을 패터닝하는 제3 단계;
상기 미세 구멍을 통해 상기 실리콘 기판의 공동에 대응하는 함몰 영역을 산화막 하부에 형성하는 제4 단계; 및
상기 미세 구멍을 포함하는 산화막 및 상기 실리콘 나노와이어 상에 실리콘 질화막을 증착하여 다이어프램을 형성하는 제5 단계를 포함하고,
상기 제4 단계는,
상기 미세 구멍 하부에 위치한 실리콘을 건식 식각하여 상기 미세 구멍을 수직 방향으로 확장하는 단계; 및
습식 식각 공정을 통해 상기 산화막, 상기 실리콘 나노와이어 및 센서 구조물을 부유시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노와이어 기반 압저항 방식의 압력 센서의 제조 방법. - 제6 항에 있어서,
상기 습식 식각 공정에는, 비등방성 식각 특성을 가지는 알칼리계 수용액으로서 수산화칼륨(KOH), 테트라메틸암모늄하이드록사이드(Tetra-methyl-ammonium-hydroxide; TMAH) 또는 에틸렌다이민피로카테콜(ethylene diamine pyrocatechol, EDP)이 활용되는 것을 특징으로 하는 나노와이어 기반 압저항 방식의 압력 센서의 제조 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 제5 단계는,
상기 실리콘 질화막은 화학 기상 증착 공정을 통해 형성되며,
상기 화학 기상 증착 공정이 진행됨에 따라 상기 미세 구멍은 실리콘 질화막의 증착에 의해 막히게 되고, 상기 함몰 영역으로의 실리콘 질화막의 침투가 차단되는 나노와이어 기반 압저항 방식의 압력 센서의 제조 방법.
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