KR20080105731A - 복합 구조의 빔을 이용한 나노 공진기 - Google Patents
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Abstract
복합 구조의 빔을 이용한 나노 공진기가 개시된다. 본 발명은 나노 빔을 이용하는 공진기에 있어서, 실리콘 카바이드 빔; 상기 실리콘 카바이드 빔 위에 증착된 희생층; 및 상기 희생층 위에 증착된 저밀도의 금속 전도체를 포함하는 복합 구조의 빔을 이용한다. 본 발명에 의하면, 나노 빔의 전기적 전도성을 높이고, 초전도 자력선을 필요로 하지 않고 실온, 준공진의 조건에서도 충분한 공진이 가능하여 실용화가 용이하고, 양호도를 향상시킬 수 있으며, 기가 헤르쯔 이상의 고주파 영역에서의 동작이 용이하다.
Description
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 복합 구조의 빔을 이용한 나노 공진기의 구조도이다.
도 2는 도 1에 적용되는 복합 구조의 빔의 상세 구조를 도시한 것이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따라 구현된 나노 공진기를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 복합 구조의 빔을 이용한 나노 공진기의 블럭도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 복합 구조의 빔을 이용한 나노 공진기에서 기계적 공진을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 나노 전자-기계 시스템에 관한 것으로, 특히, 복합 구조의 빔을 이용한 나노 공진기에 관한 것이다.
마이크로 전자-기계 시스템(MEMS: microelectromechanica system)의 예에는 다양한 물리적 특성이나 화학적 특성을 탐지하기 위한 센서를 포함한다. 기계적 변 환기(mechanical transducer)의 치수가 감소함에 따라 민감도, 공간 해상도, 에너지 효율성, 반응 시간 등이 향상된 나노 전자-기계 시스템(NEMS: nanoelectromechanical system)이라는 새로운 세대의 시스템이 등장하게 됐다.
통신 분야 장치에서는 높은 양호도 즉, Q (quality factor) 값을 지향하고 있으며 그러므로 SAW 와 FBAR 등 전자 소자에서도 유일하게 기계적인 소자가 쓰이고 있다. 이들 소자는 주파수 튜닝(frequency tuning)이 구조적으로 작동이 되지 않아서 또 다른 구조의 차세대 메카니즘이 요구되는 바에 이에 부응하는 구조는 나노-기계 공진기(nanomechanical reosnator)이다.
기계적인 진동의 경우 일반적으로 공명주파수는 
으로 표현할 수 있다. 이때, k r 은 스프링상수이고, m r 은 질량에 해당된다. k r 은 빔의 길이에 일반적으로 반비례하고 폭과 두께에 따라 증가한다. m r 은 부피와 밀도(질량/부피)의 곱으로 전체 빔의 크기에 비례한다.
상온과 상압 상태의 나노 사이즈의 고주파 영역에서 작동 할수 있는 나노 공진기(nano-resonator) 구현이 관심을 가져 왔다. 초저온에서는 기가 헤르쯔(GHz) 레벨에서의 시연이 되었으나 상온과 상압 그리고 초전도가 아닌 일반 자석에서는 아직 기술적인 문제를 가지고 있다.
이런 문제점을 타게 하고 실용화를 위해서 다음과 같은 이중에서 다중 구조의 나노 빔(nano-beam)이 제안되기도 하였다. 고주파 영역 (GHz 이상)에서 통신 장치들(예를 들어, 필터 및 오실레이터)로 쓰이기 위해서 높은 수치의 Young's Modulus 와 강성도(stiffness)를 필요로 한다. 이러한 수치를 가지는 NEMS 재료로 GaAs, Si 나 SiC가 존재한다. 특히, SiC는 가장 높은 수치를 지니며 안정성이 인정되었다. 그러나 증착 기법이 까다로와 현재 까지는 30nm까지가 한계치로 여기고 있다. 또한 전기적 전도성이 문제가 되어 액체 헬륨 온도(He temperature)와 초 저압 챔버에서만 시그널 검출(detecting)이 가능하였다. 또한, 초전도 자력선 (up to 8T )이 존재해야만 가능 하였다.
따라서, 종래의 나노 공진기는 전기적 전도성이 낮고, 낮은 온도 및 초저압의 챔버를 필요로 하거나 초전도 자력선을 필요로 하여 실용화가 어렵고, 기가 헤르쯔 이상의 고주파 영역에서의 동작이 용이하지 않은 문제점이 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 나노 빔의 전기적 전도성을 높이고, 초전도 자력선을 필요로 하지 않고 실온, 준공진의 조건에서도 충분한 공진이 가능하여 실용화가 용이하고, 양호도를 향상시킬 수 있으며, 기가 헤르쯔 이상의 고주파 영역에서의 동작이 용이한 복합 구조의 빔을 이용한 나노 공진기를 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명은 나노 빔을 이용하는 공진기에 있어서, 실리콘 카바이드 빔; 상기 실리콘 카바이드 빔 위에 증착된 희생층; 및 상기 희생층 위에 증착된 저밀도의 금속 전도체를 포함하는 복합 구조의 빔을 이용한 나노 공진기를 제공한다.
또한, 상기의 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명은 나노 빔을 이용하는 공진기에 있어서, 실리콘 카바이드 빔; 및 상기 실리콘 카바이드 빔 위에 증착된 구리로 이루어진 저밀도의 금속 전도체를 포함하는 복합 구조의 빔을 이용한 나노 공진기를 제공한다.
또한, 상기의 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명은 실리콘 웨이퍼 상에 고정되고, 인가되는 기자계와 교류 전류에 따라 기계적인 진동을 발생시키는 샌드위치 구조의 빔; 및 상기 샌드위치 구조의 빔 양단에 교류 전류를 인가하고, 상기 샌드위치 구조의 빔의 기계적인 진동에 대응하는 전압을 검출하는 네트워크 분석기를 포함하고, 상기 샌드위치 구조의 빔은 실리콘 카바이드 빔; 상기 실리콘 카바이드 빔 위에 증착된 희생층; 및 상기 희생층 위에 증착된 저밀도의 금속 전도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 구조의 빔을 이용한 나노 공진기를 제공한다.
전기적인 전도성과 동시에 종래의 양호도(Q factor)를 유지하기 위해, 빔 재료(beam material)의 수정(modification)이 요구된다. 실리콘 카바이드를 고주파용으로 쓰이기 위해서는 전도성을 향상시켜야 하는데 실리콘 카바이드 자체로 금속(metal)을 확산(diffusion)시키는 현재까지 개발되지 않았다.
이를 충족시킬 수 있는 대안 기술로 가장 고주파의 특성을 유지하면서 전도성을 유지하는 것은 가장 밀도가 낮은 금속을 고 진동에서도 견딜 수 있도록 증착하는 것이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있 으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 복합 구조의 빔을 이용한 나노 공진기의 구조도이다.
도 1에서 볼수 있듯이, 빔(110)의 양 끝(120)에 AC 전압이 걸리며 B field force 가 바닥면(130)에서 올라오면 로렌지안 힘에 의하여 빔(110)의 평면과 평행하게 좌우로 진동을 하게 된다. 고유 진동 주파수는 빔의 물질적인 특성과 기하학적 구조에 의하여 결정되며 제작의 특성에 따라 걸리는 스트레스(stress)에 의하여 유효 스트레스(effective stress)가 결정된다. 즉 유효 스트레스가 실제 공진 주파수(real resonance frequency)를 결정 짓는다.
도 2는 도 1에 적용되는 복합 구조의 빔의 상세 구조를 도시한 것이다.
본 발명에서는 고주파 특성을 나타내는 실리콘 카바이드 공진기(211) 위에 샌드위치 구조로 작은 밀도의 지지층(support layer)(213)을 증착한다. 단, 고주파 공진에도 견딜 단단한 두 개의 층의 결합을 위하여 희생층(sacrificial layer)(212)을 쓴다. 지지층(213)은 밀도가 작은 금속을 포함한 모든 전도체를 망라한다.
도 2의 본 발명의 일 실시 예에 따른 복합 구조의 빔은 실리콘 카바이드 빔(211), 실리콘 카바이드 빔 위에 증착된 희생층(212) 및 희생층 위에 증착된 저밀도의 금속 전도체(213)를 포함한다.
실용적인 조건, 예를 들어, 실온(room temperature), 1 Torr 진공, 0.7T B field에서 고주파 공진을 하려면 전도성이 좋고 밀도가 작은 물질을 희생층 위에 증착하여야 한다. 적용의 예로 알루미늄(Al), 금(Au), 구리(Cu)가 될수 있다. 한편, 본 발명에 따른 복합 구조의 빔을 이용한 나노 공진기는 금속 전도체로 구리를 포함하는 경우, 희생층을 생략할 수 있다.
금속 전도체(213)로 알루미늄을 쓸 경우 크롬을 희생층으로 사용하는 것이 바람직하다. 알루미늄을 금속 전도체(213)로 쓸 경우 옥사이드 층(Oxide layer)을 증착시켜 산화를 방지하며 수명을 길게 하며 경도를 증가시켜 주파수 영역을 높일 수 있다.
또한 고주파의 공진에서 견딜수 있는 강한 증착을 필요로 한다. 즉, 나노빔은 기계적 강성이 뛰어나 종횡비가 크게 형성하여도 외력에 대한 내구성이 뛰어나고, 기계적으로 공명 진동 시의 진동에 잘 견딜 수 있어야 한다.
이와 같은 이유로, 실리콘 카바이드(211) 및 금속 전도체(213)의 두 물질 사이에 희생층(212)을 깔아준다. 적용의 예로 크롬(Cr)이 될수 있다. 전도체(213)의 종류에 따라 희생층(212)의 종류도 달라진다.
도 3a은 본 발명에 따라 구현된 나노 공진기의 사진으로서, 도시된 나노 공진기는 준진공(moderate vacuum)을 만드는 챔버(chamber)에 설치된다. 도 3b는 도 3a를 간략화한 것으로, 본 발명에 따라 구현된 복합 구조의 나노빔(310)을 보여준다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 복합 구조의 빔을 이용한 나노 공진기의 블럭도이다.
도 4는 나노 공진기에 대한 전체 동작 구성의 회로 구조를 나타낸 것이다. 샌드위치 구조의 빔(410)은 실리콘 웨이퍼 상에 고정되고, 인가되는 기자계와 교류 전류에 따라 기계적인 진동을 발생시킨다. 이때, 샌드위치 구조의 빔(410)은 도 2에서 설명된 바와 같이, 실리콘 카바이드 빔, 실리콘 카바이드 빔 위에 증착된 희생층 및 희생층 위에 증착된 저밀도의 금속 전도체를 포함한다. 바람직하게는, 샌드위치 구조의 빔(410)은 실온 및 1 Torr 기압 조건의 챔버(440)에 설치될 수 있다.
네트워크 분석기(450)는 샌드위치 구조의 빔(410) 양단에 교류 전류를 인가하고, 샌드위치 구조의 빔(410)의 기계적인 진동에 대응하는 전압을 검출한다. 네트워크 분석기(450)는 검출되는 전압을 이용하여 샌드위치 구조의 빔(410)에 의해 발생하는 공진 주파수를 측정할 수 있다. 한편, 샌드위치 구조의 빔(410)에 의해 발생하는 고주파의 전압 신호를 이용하여 고주파 발진기를 구성할 수 있다. 본 발명에 대한 응용으로서, 샌드위치 구조의 빔(410)을 고주파 발진기로, 네트워크 분석기를 공진 주파수를 측정하는 센서로 구성할 수 있다. 본 발명에 대한 다른 응용으로서, 네트워크 분석기(450)는 고주파의 전압 신호를 필요로 하는 다른 구성 요소로 대체될 수 있다.
감쇄기(460)는 네트워크 분석기(450)에서 교류 전류를 출력하는 출력단에 연결되는데, 네트워크 분석기(450)의 출력을 나노 공진기의 적합한 레벨로 변경시킨다.
임피던스 매칭부(480)는 임피던스 매칭(impedance matching)을 수행하여 샌드위치 구조의 빔의 기계적인 진동에 대응하는 전압으로부터 신호에 대한 잡음비를 감소시킨다.
직류(DC)를 건 증폭기(490)는 임피던스 매칭부(480) 쪽에서 나오는 신호를 입력으로 하고, 네트워크 분석기(450)에서 전압을 검출하는 검출단에 연결된다. 증폭기(490)는 검출되는 신호를 증폭시키는 역할을 한다.
본 발명에서 나노 빔의 길이는 MEMS 대비 10배이상 작고, 부피는 100배 이상 작다. 따라서 본 발명에 따른 구동 전력도 MEMS와는 100배에서 1000배 차이가 나게 된다. 또한, 본 발명은 MEMS 대비 정확도가 우수하고, MEMS의 100에서 200 정도의 양호도와 비교하여, 본 발명은 1000에서 10000 정도의 양호도를 갖는다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 복합 구조의 빔을 이용한 나노 공진기에서 기계적 공진을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 5a에서 기자력 변환(magnetomotive transduction)에 의한 기계적 공진의 측정은 600 mTorr 기압 및 실온 조건에서 수행되었다. 여기서, NdFeB 영구 자석에 의해 인가되는 0.9T의 자기장이 기계적 공진의 측정을 위해 사용되었다. 도 5b에서는 응답의 선형성을 보장하기 위하여, 드라이브를 3mV로 감소시켰다. 이 그래프는 디임베디드(de-dembedded)된 공진 피크를 보여준다. 하나의 로렌지안 핏(fit)은 공진의 양호도가 대략 2800임을 나타낸다.
본 발명에 의하면, 고주파 용 실리콘 카바이드(SiC) 나노 공진기의 전기 전도도를 높이기 위해 종래의 실리콘 카바이드 빔(SiC beam) 위에 샌드위치 구도로 작은 밀도의 전도체와 희생층을 증착시켜 양호도(Q factor)의 희생 없이 고주파를 얻어낼 수 있다.
종래에는 액체 헬륨 온도와 초 저압 챔버에서만 높은 공진 주파수 검출(high resonance frequency detecting)이 가능하고, 또한 초전도 자력선 (up to 8T )이 존재 해야만 했던 반면에, 본 발명에 따른 빔 구조는 실리콘 카바이드를 재료로 하여 실온, 준진공 및 영구 자기장(permanent magnet) 조건에서 나노 공진기가 고주파수에서 작동할 수 있도록 전기 전도도 향상을 위하고 고주파와 Q factor의 희생 없이 밀도가 가벼운 물질을 실리콘 카바이드 빔 표면에 증착함으로써 동작이 가능하게 한다.
즉, 본 발명은 현재 알려진 고주파 용으로 가장 뛰어난 실리콘 카바이드 특성을 버리지 않고 전기 전도도를 높임으로써, 실제 응용(practical application)에 적용할 있도록 기반을 제시한다. 따라서, 본 발명은 나노 공진기를 상온, 대기압, 소형 자석으로도 센서(sensor), 필터(filter), 오실레이터(oscillator) 등에 실용화 할 수 있는 계기를 마련할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 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 의해서 정해져야 할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 나노 빔의 전기적 전도성을 높이고, 초전도 자력선을 필요로 하지 않고 실온, 준공진의 조건에서도 충분한 공진이 가능하여 실용화가 용이하고, 양호도를 향상시킬 수 있으며, 기가 헤르쯔 이상의 고주파 영역에서의 동작이 용이한 효과가 있다.
Claims (12)
- 나노 빔을 이용하는 공진기에 있어서,실리콘 카바이드 빔;상기 실리콘 카바이드 빔 위에 증착된 희생층; 및상기 희생층 위에 증착된 저밀도의 금속 전도체를 포함하는 복합 구조의 빔을 이용한 나노 공진기.
- 제 1 항에 있어서,상기 금속 전도체는알루미늄, 금 또는 구리 중 어느 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 구조의 빔을 이용한 나노 공진기.
- 제 1 항에 있어서,상기 금속 전도체는알루미늄을 포함하고, 상기 알루미늄에 옥사이드 층을 증착한 구조인 것을 특징으로 하는 복합 구조의 빔을 이용한 나노 공진기.
- 제 1 항에 있어서,상기 희생층은크롬을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 구조의 빔을 이용한 나노 공진기.
- 나노 빔을 이용하는 공진기에 있어서,실리콘 카바이드 빔; 및상기 실리콘 카바이드 빔 위에 증착된 구리로 이루어진 저밀도의 금속 전도체를 포함하는 복합 구조의 빔을 이용한 나노 공진기.
- 실리콘 웨이퍼 상에 고정되고, 인가되는 기자계와 교류 전류에 따라 기계적인 진동을 발생시키는 샌드위치 구조의 빔; 및상기 샌드위치 구조의 빔 양단에 교류 전류를 인가하고, 상기 샌드위치 구조의 빔의 기계적인 진동에 대응하는 전압을 검출하는 네트워크 분석기를 포함하고,상기 샌드위치 구조의 빔은실리콘 카바이드 빔;상기 실리콘 카바이드 빔 위에 증착된 희생층; 및상기 희생층 위에 증착된 저밀도의 금속 전도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 구조의 빔을 이용한 나노 공진기.
- 제 6 항에 있어서,상기 금속 전도체는알루미늄, 금 또는 구리 중 중 어느 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 구조의 빔을 이용한 나노 공진기.
- 제 6 항에 있어서,상기 금속 전도체는알루미늄을 포함하고, 상기 알루미늄에 옥사이드 층을 증착한 구조인 것을 특징으로 하는 복합 구조의 빔을 이용한 나노 공진기.
- 제 6 항에 있어서,상기 희생층은크롬을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 구조의 빔을 이용한 나노 공진기.
- 제 6 항에 있어서,상기 샌드위치 구조의 빔은실온 및 1 토르 기압 조건의 챔버에 설치되는 것을 특징으로 하는 복합 구조의 빔을 이용한 나노 공진기.
- 제 6 항에 있어서,임피던스 매칭을 수행하여 상기 샌드위치 구조의 빔의 기계적인 진동에 대응하는 전압으로부터 신호에 대한 잡음비를 감소시키는 임피던스 매칭부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 구조의 빔을 이용한 나노 공진기.
- 제 6 항에 있어서,상기 네트워크 분석기는상기 교류 전류를 출력하는 출력단에 감쇄기가 연결되고, 상기 전압을 검출하는 검출단에 증폭기가 연결되는 것을 특징으로 하는 복합 구조의 빔을 이용한 나노 공진기.
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