KR20180038855A - 마이크로폰 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로폰 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 압전 특성을 지닌 2차원 물질을 이용한 마이크로폰 및 그 제작방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로폰은, 캐비티를 포함하는 기판; 상기 기판 상에 배치되며 상기 캐비티를 커버하도록 배치된 2차원 압전 물질층; 상기 2차원 압전 물질층 상에 배치된 전극층을 포함하고, 소리에 의해 상기 2차원 압전 물질층이 진동함에 따라 전기적 포텐셜을 생성한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로폰은, 캐비티를 포함하는 기판; 상기 기판 상에 배치되며 상기 캐비티를 커버하도록 배치된 2차원 압전 물질층; 상기 2차원 압전 물질층 상에 배치된 전극층을 포함하고, 소리에 의해 상기 2차원 압전 물질층이 진동함에 따라 전기적 포텐셜을 생성한다.
Description
본 발명은 마이크로폰 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 압전 특성을 지닌 2차원 물질을 이용한 마이크로폰 및 그 제작방법에 관한 것이다.
마이크는 소리의 진동수와 같은 전기신호를 만들어내는 장치로써, 소리, 즉 음압이 진동판을 진동시켜 소리의 진동수와 같은 교류 유도전류를 발생시키는 원리이다. 즉, 소리를 입력신호로 만들어주는 장치이다. 최근에는 컴퓨터와 그 주변 장치인 이어폰과 헤드폰을 비롯한 스마트폰에 사용되는 마이크가 점차 초소형화 됨에 따라 MEMS 공정을 이용하여 기존의 마이크보다 얇고 가볍고 전력소모가 적은 초소형 마이크가 활발히 적용되고 있는 실정이다.
일반적으로, 마이크에서 가장 널리 사용되는 방식은 다이나믹(Dynamic) 방식으로써, 코일과 영구자석을 사용하기 때문에 그 크기가 크고 비용이 많이 들며 소형화가 불가능하므로, 어떤 장치에 내장용으로 사용하기에는 한계가 있다. 따라서 이를 극복하기위해 최근에는 초소형 전자기계 시스템(Micro Electro Mechanical System : MEMS)과 같은 반도체 공정 방식을 이용하여 실리콘 계열의 웨이퍼에 초소형 마이크를 제작하여 집적하는 방식을 이용하고 있다.
다이나믹 방식 이외에 사용되는 마이크는 정전용량(Capacitive)방식 또는 콘덴서(Condenser)방식으로써, 일정한 간격을 두고 서로 마주보는 두개의 평행판(고정판, 진동판) 사이의 간격이 변함에 따라 축전 용량이 변하는 것을 감지한다. 콘덴서 방식의 마이크는 전하량을 유지하기 위해 작동시 일정한 전압을 인가시켜야 한다. 고감도를 얻기 위해서는 가능한 인가전압이 커야하지만 인가전압이 크면 다이어프램(Diaphragm), 즉 진동판의 정적 변형이 커지기 때문에 내충격성과 동적 측정범위가 감소한다. 또한, 기존에 진동판으로 사용되는 물질은 폴리실리콘 질화막, 실리콘 산화막 등의 유전체 또는 폴리실리콘 등으로 이루어지는데, 물질 자체의 특성상 너무 얇으면 기계적 강도가 떨어지며 두꺼우면 깨질 수 있다. 뿐만 아니라, 고감도를 위해 두 평행판 사이의 간격이 상당히 좁으므로 충격과 진동, 습기 등 외부환경에 취약하다.
콘덴서 방식과 유사한 일렉트렛 콘덴서 마이크(Electret Condenser Microphone : ECM) 방식이 있다. ECM은 물질 내부에 정전하(static charge)가 배열되어 있는 유전체를 진동판 또는 고정판으로 사용하는 방식이다. 영구적인 전기분극을 갖고 있으므로 일반적인 콘덴서 방식처럼 외부에서 일정한 전압을 가하지 않아도 된다. 가격이 저렴하고 제조가 용이하므로 소형 모바일 기기에 사용되는 저가의 마이크로 많이 쓰이지만 응답특성이 떨어지는 단점과 폴리머를 진동판으로 사용하기 때문에 온도 제한이 있어 마이크를 인쇄회로기판(PCB)의 표면에 직접 실장하는 방법인 표면실장기술(Surface Mount Technology, SMT)을 할 수 없다는 큰 문제점이 있다.
다음으로, PZT(PbZr1-xTixO3), SBT(SrBi2Ta2O9), BLT(Bi4-xLaxTi3O12), PbTiO3, BaTiO3 와 같은 세라믹 계열의 압전 물질 또는 압전 특성을 갖는 폴리불화빌닐리덴(PVDF : polyvinylidene fluoride) 과 같은 필름형태의 폴리머를 이용한 마이크가 있다. 압전물질을 이용하면, 낮은 전압으로 구동 가능하고, 소형화 및 박막화에 유리한 장점이 있으나, 기존의 코일과 전자석을 이용한 마이크에 비해 음향출력 및 감도가 떨어지는 단점이 있다. 압전 세라믹을 이용한 경우, 무거우며 휘어지지 않기 때문에 깨지기 쉽고 납(Pb) 성분이 들어가는 물질은 인체에 유해한 단점이 있다. 또한, 강유전 폴리머인 PVDF를 사용할 경우, 사용온도에 제한이 있으며 DC 측정에 적합하지 않고 압전특성이 세라믹 계열의 물질보다 떨어지는 단점이 있다. 특히, 압전특성을 갖는 β-상의 PVDF를 사용해야 하므로 열처리가 필수적이고 시간이 지남에 따라 출력이 저하되는 에이징(aging) 현상이 발생할 수 있다.
상기에서 언급한 문제점들을 개선하기 위해 본 발명에서는 압전 특성을 갖는 2차원 물질을 이용한 초소형 마이크를 개발하고자 한다.
본 발명의 목적은 기존에 만들어지던 MEMS 마이크를 대체하여, 압전 특성을 지닌 2차원 물질을 기반으로, 매우 얇고 민감하고 우수한 초소형 마이크를 제작하기 위함이다.
본 발명은 상기에서 언급한 MEMS 마이크의 문제점들을 개선하기 위한 것으로써, 2차원 압전물질을 진동판으로 이용하는 초소형 마이크를 제작하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로폰은, 캐비티(cavity)를 포함하는 기판; 상기 기판 상에 배치되며 상기 캐비티를 커버하도록 배치된 2차원 압전 물질층; 상기 2차원 압전 물질층 상에 배치된 전극층을 포함하고, 소리에 의해 상기 2차원 압전 물질층이 진동함에 따라 전기적 포텐셜을 생성한다.
상기 기판은 기판 상에 절연층을 추가로 포함할 수 있다.
상기 2차원 압전 물질층은 전이금속 칼코게나이드 물질, 알칼리토금속 산화물, 3-5족 화합물 중 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하고, 상기 2차원 압전 물질층의 두께는 1nm 이하인 것이 바람직하며, 상기 2차원 압전 물질층의 공진 주파수는 20kHz를 이상인 것이 바람직하다.
한편, 상기 2차원 압전 물질층은 복수개의 층으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따른 마이크로폰은, n x m (n, m은 2이상의 정수) 개의 배열로 이루어진 복수개의 캐비티를 포함하는 기판; 상기 기판 상에 배치되며 상기 복수개의 캐비티를 커버하도록 배치된 복수개의 2차원 압전 물질층; 상기 복수개의 2차원 압전 물질층 각각에 배치되도록 이루어진 전극층을 포함하고, 상기 전극층은 제 1 전극 패턴 및 제 2 전극 패턴인 2개의 전극 패턴으로 이루어져 있으며, 상기 제 1 전극 패턴 및 제 2 전극 패턴은 전기적으로 절연되어 있고, 각각 서로 맞물리는(interdigitated) 전극 패턴을 형성하며, 소리에 의해 상기 복수개의 2차원 압전 물질층이 진동함에 따라 전기적 포텐셜을 생성한다.
상기 기판은 기판 상에 절연층을 추가로 포함할 수 있다.
상기 2차원 압전 물질층은 전이금속 칼코게나이드 물질로 이루어지는 것이 바람직하고, 상기 2차원 압전 물질층의 두께는 1nm 이하인 것이 바람직하며, 상기 2차원 압전 물질층의 공진 주파수는 20kHz를 이상인 것이 바람직하다.
한편, 상기 2차원 압전 물질층은 복수개의 층으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로폰의 제조 방법은, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 2차원 물질층을 형성하는 단계; 기판에 형성되는 캐비티 부분에 상기 2차원 물질층이 배치되도록 상기 2차원 물질층을 패터닝하고 원하는 형태로 식각하는 단계; 상기 2차원 물질층 상에 전극을 형성하는 단계; 및 상기 기판의 상기 2차원 물질층이 형성된 면의 반대면을 식각하는 단계를 포함하고, 상기 기판의 상기 2차원 물질층이 형성된 면의 반대면을 식각함에 의해 기판을 관통하는 캐비티를 형성하게 되며, 상기 캐비티가 형성된 부분에 상기 2차원 물질층이 배치되어 소리에 의해 상기 2차원 압전 물질층이 진동함에 따라 전기적 포텐셜을 생성한다.
상기 기판은 기판 상에 절연층을 추가로 포함하고, 상기 절연층도 상기 기판이 식각될 때 함께 식각되어 관통 캐비티를 형성한다.
상기 2차원 압전 물질층은 전이금속 칼코게나이드 물질, 알칼리토금속 산화물, 3-5족 화합물 중 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하고, 상기 2차원 압전 물질층의 두께는 1nm 이하인 것이 바람직하다.
상기 기판을 식각하는 단계는, 상기 2차원 물질층 및 전극이 형성된 표면에 보호층을 코팅한 후 식각이 이루어진다.
또한, 상기 캐비티가 복수개 형성될 수 있고, 상기 복수개의 캐비티에 각각 대응되도록 상기 2차원 물질층을 패터닝하여 식각함으로써 복수개의 2차원 압전 물질층이 복수개의 캐비티에 각각 대응될 수 있다. 이 경우 상기 복수개의 2차원 압전 물질층 각각에 배치되도록 이루어진 전극층을 포함하고, 상기 전극층은 제 1 전극 패턴 및 제 2 전극 패턴인 2개의 전극 패턴으로 이루어져 있으며, 상기 제 1 전극 패턴 및 제 2 전극 패턴은 전기적으로 절연되어 있고, 각각 서로 맞물리는(interdigitated) 전극 패턴을 형성한다.
본 발명에 따른 압전 특성을 지닌 2차원 물질을 기반으로 한 마이크로폰은, 매우 얇고 민감하고 우수한 초소형 마이크를 제공한다.
본 발명에 따르면, 단원자 층 스케일의 극도로 얇은 2차원 물질을 진동판으로 사용함으로써, 매우 높은 민감도(Sensitivity)를 갖는 마이크를 제작할 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로폰은 표면실장기술(SMT)에서 요구되는 온도하에서도 진동판의 변형 및 성능 저하가 없기 때문에 기존의 정전용량 MEMS 마이크를 충분히 대체할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로폰의 구조를 나타내는 모식도이다.
도 2는 2차원 물질 중 MoS2의 구조를 나타내는 대표적인 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 2차원 물질이 외부에서 인가된 소리에 의해 변형되는 것을 나타내는 모식도 및 압전 특성에 의해 음압으로부터 전기적 포텐셜을 만드는 것을 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 마이크로폰의 구조를 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로폰의 제조 방법의 순서도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로폰의 제조 방법의 공정 모식도를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 물질을 이용한 마이크로폰의 단면도를 도시한다.
도 8은 2차원 MoS2를 합성하기 위한 CVD 시스템의 모식도 및 합성 방법에 대한 개략도를 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
도 2는 2차원 물질 중 MoS2의 구조를 나타내는 대표적인 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 2차원 물질이 외부에서 인가된 소리에 의해 변형되는 것을 나타내는 모식도 및 압전 특성에 의해 음압으로부터 전기적 포텐셜을 만드는 것을 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 마이크로폰의 구조를 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로폰의 제조 방법의 순서도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로폰의 제조 방법의 공정 모식도를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 물질을 이용한 마이크로폰의 단면도를 도시한다.
도 8은 2차원 MoS2를 합성하기 위한 CVD 시스템의 모식도 및 합성 방법에 대한 개략도를 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로폰의 구조를 나타내는 모식도이다. 도 1에서 도시된 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로폰은, 캐비티를 포함하는 기판(10); 2차원 압전 물질층(20); 및 전극층(30)을 포함한다.
기판(10)은 기판 상에 절연층(12)을 추가로 포함할 수 있다. 기판(10) 및 절연층(12)에는 관통 캐비티가 형성되어 있다.
2차원 압전 물질층(20)은 이러한 캐비티를 커버하도록 기판(10) 상에 배치된다. 이러한 2차원 압전 물질층은 진동판으로서의 역할을 수행하여 소리에 의해 2차원 압전 물질층이 진동함에 따라 전기적 포텐셜을 생성하게 된다.
2차원 압전 물질층은 다양한 물질들이 이용될 수 있다.. 2004년, 완전한 2차원 구조를 갖는 탄소 단원자층인 그래핀의 박리성공 이후로 2차원 물질에 대한 연구는 폭발적으로 증가해 왔으며, 단일 원소로 구성된 그래핀 뿐만 아니라, 원소 주기율표 상에 존재하는 다양한 물질들이 결합된 혼합물질들의 박리 및 합성에 대한 연구도 활발하게 진행되고 있다. 그 중 그래핀 만큼 활발하게 연구되고 있는 물질은 이원자로 구성되어 있는 전이금속 칼코게나이드 (Transition Metal Dichalcogenide : TMD) 물질로써, 반도체 특성을 갖고 있으며 전이금속과 칼코겐 원자가 도 2 에서와 같이 육각형 구조를 이루면서 공유결합을 하고 있다. 대칭이 깨져있는 구조에서 기인한 압전(Piezoelectric) 특성을 갖고 있으며, 가장 대표적으로는 MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, WTe2 등이 있다. 뿐만 아니라, 알칼리토금속 산화물(CdO, ZnO, CaO, MgO 등), 3-5족 화합물(BN, InAs, InP, AlAs) 등이 2차원 압전 물질층으로서 사용될 수 있다.
본 발명에서는 압전 특성을 갖는 2차원 나노시트를 이용한 초소형 마이크를 제작하되, 상기에서 언급한 가장 널리 연구되고 있는 2차원 TMD 나노시트를 기반으로 설명을 하며, 본 발명에서 제작하는 초소형 마이크의 구조와 구동원리는 다른 종류의 원자로 구성된, 또는 이를 포함하는 원자들로 구성된 모든 2차원 압전물질을 포함한다. 2차원 TMD 나노시트의 두께는 약 1nm 이하이며, 이를 이용하면 기존의 초소형 음향장치와는 비교할 수 없이 얇은 두께의 진동판을 갖는 초고감도 마이크를 제작할 수 있다.
진동판이 크고 무거우면 음질을 저하시키는 요인으로 작용하며, 넓은 면적의 진동판은 공기의 저항을 받기 때문에 음이 흐려지는 원인이 된다. 따라서 본 발명에서 제작하고자 하는 초소형 마이크는 단원자 층 스케일의 극도로 얇은 2차원 물질을 진동판으로 사용함으로써, 매우 높은 민감도(Sensitivity)를 갖는 마이크를 제작할 수 있다.
2차원 물질은 강도가 또한 높아서 기존의 진동판을 대체하기에 충분한 물질이다. 특히 2차원 물질 중 MoS2의 강도는 참고문헌 Stretching and Breaking of Ultrathin MoS2, ACS Nano, 2011, 12, 9703-9709 에 명시하기를, effective Young's modulus 가 평균적으로 약 255 GPa 에 달하며 이는 강철과 필적할만한 수준이라고 보고된 바 있기 때문에 매우 얇지만 매우 강한 탄력을 갖고 있으므로, 기존의 진동판을 대체하기에 충분한 물질이다.
본 발명에서는 2차원 압전 물질층인 진동판 자체의 압전 특성을 이용하기 때문에 기존의 정전용량 방식에서 요구되는 고정판을 사용하지 않아 노이즈 저감 및 공정 단계를 줄일 수 있는 효과가 있으며 또한 외부 전압을 사용하지 않아 신호처리회로를 단순화 할 수 있는 장점이 있다. 또한, 마이크로폰으로 이용함에 있어서 자체적으로 전기적 포텐셜을 생성하므로 외부에서 별도의 전류를 지속적으로 흘려줄 필요가 없으며 따라서 소비 전력이 매우 적다는 장점을 갖는다.
본 발명에서 2차원 압전 물질층의 공진 주파수는 20kHz를 이상인 것이 이용되는 것이 바람직하다. 2차원 압전 물질 중 MoS2 membrane의 공진주파수는 100kHz 이상이고, 따라서 20 kHz 이상의 초음파 영역에서도 사용 가능한 마이크 제작을 위한 소재로 적합하다.
한편, 2차원 압전 물질층은 복수개의 층으로 이루어질 수도 있다. 즉, 복수개의 2차원 압전 물질층이 서로 겹쳐진 형태일 수도 있다. 이러한 멀티 레이어로 이용함에 의해 압전 효과의 특성 향상이 추가적으로 이루어질 수 있다.
전극층은 전극 물질로 이용 가능한 것이면 어떠한 것이든 가능하며, 이에 대한 특별한 제한은 없다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로폰은 소리에 의해 2차원 압전 물질층이 진동함에 따라 전기적 포텐셜을 생성하게 된다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 2차원 물질이 외부에서 인가된 소리에 의해 변형되는 것을 나타내는 모식도 및 압전 특성에 의해 음압으로부터 전기적 포텐셜을 만드는 것을 나타내는 모식도이다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따르면, 2차원 압전 물질을 이용한 마이크로폰은 도 4와 같은 구조를 가질 수도 있다. 즉, 2차원 압전 물질을 이용한 마이크로폰은 도 1과 같은 단일 소자 구조로도 가능하며, 도 4와 같이 어레이(array) 형태로 복수개의 캐비티 및 2차원 물질을 이용한 구조도 가능하다. 이러한 어레이 형태의 마이크로폰을 구현함으로써 더 높은 민감도 및 출력의 향상이 가능하게 된다.
이하에서는 도 4와 같은 어레이 형태의 2차원 압전 물질을 이용한 마이크로폰에 대해 설명하도록 할 것이며, 위에서 설명한 부분과 동일한 부분에 대해서는 중복 설명을 생략하도록 하겠다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따른 2차원 압전 물질을 이용한 마이크로폰은 어레이 구조를 가지며, 구체적인 구성은 n x m (n, m은 2이상의 정수) 개의 배열로 이루어진 복수개의 캐비티를 포함하는 기판; 복수개의 캐비티를 커버하도록 배치된 복수개의 2차원 압전 물질층; 및 복수개의 2차원 압전 물질층 각각에 배치되도록 이루어진 전극층을 포함한다.
도 4에서 보는 것처럼, 기판은 복수개의 캐비티를 포함하고, 이러한 캐비티는 어레이 형태의 구조를 가지며, 6 x 5의 배열로 이루어져 있다.
이러한 복수개의 캐비티를 각각 커버하도록 n x m과 동일한 개수, 즉 6 x 5의 배열로 2차원 압전 물질층이 배치된다.
한편, 각각의 2차원 압전 물질층 상에는 전극층(30)이 배치된다. 이러한 전극층의 배치에 있어서 어레이 형태의 캐비티 및 2차원 압전 물질층을 커버하기 위해 특별한 형태의 전극 패턴이 이용될 수 있다.
본 발명의 추가적인 실시예에서 이용되는 전극층(30)은 제 1 전극 패턴(31) 및 제 2 전극 패턴(32)인 2개의 전극 패턴으로 이루어져 있으며, 제 1 전극 패턴 및 제 2 전극 패턴은 전기적으로 절연되어 있고, 각각 서로 맞물리는(interdigitated) 전극 패턴을 형성한다. 도 4에서 전극층(30)에서 어느 한쪽의 전극 패턴이 제 1 전극 패턴(31)이 되고 나머지 전극 패턴이 제 2 전극 패턴(32)이 된다.
제 1 및 제 2 전극 패턴은 서로 전기적으로 절연되어 있고 각각 서로 맞물리는(interdigitated) 전극 패턴을 형성한다. 이는 도 4에서 도시된 것처럼 제 1 전극 패턴과 제 2 전극 패턴이 기판 상에서 서로 절연되면서 맞물리도록 형성되어 있다. 이는 마치 빗(comb)과 같은 형상을 이루고 있다. 빗에서 각각의 살에 해당하는 부분이 복수의 전극을 이루고 있다.
지금까지 본 발명의 일 실시예 및 추가적인 실시예에 따른 마이크로폰에 대해서 설명하였으며, 이하에서는 이러한 마이크로폰의 제조 방법에 대해 설명하고자 한다. 역시 위에서 설명한 부분과 동일한 부분에 대해서는 중복 설명을 생략하도록 하겠다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로폰의 제조 방법의 순서도를 도시하고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로폰의 제조 방법의 공정 모식도를 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로폰의 제조 방법은, 기판을 준비하는 단계(S 510); 상기 기판 상에 2차원 물질층을 형성하는 단계(S 520); 기판에 형성되는 캐비티 부분에 상기 2차원 물질층이 배치되도록 상기 2차원 물질층을 패터닝하고 원하는 형태로 식각하는 단계(S 530); 상기 2차원 물질층 상에 전극을 형성하는 단계(S 540); 및 상기 기판의 상기 2차원 물질층이 형성된 면의 반대면을 식각하는 단계(S 550)를 포함한다.
S 510 단계에서는 기판(10)을 준비하게 된다. 기판(10) 상에는 절연층(12)을 추가로 포함할 수 있다. 예시적으로 기판으로는 Si 기판이 이용되며, 절연층으로는 SiO2가 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
S 520 단계에서는 기판(10) 상에 2차원 물질층(20)을 형성한다. 2차원 물질층의 형성은 화학 기상 증착 방법(CVD)에 의해 이루어질 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
S 530 단계에서는 기판에 형성되는 캐비티 부분에 2차원 물질층이 배치되도록 2차원 물질층을 패터닝하고 원하는 형태로 식각하는 과정을 거치게 된다. 패터닝은 포토리소그래피 공정을 이용하여 이루어지며, UV의 조사 후 플라즈마 식각 공정을 이용해 식각하는 것이 일반적이나, 이에 반드시 제한되는 것은 아니다.
S 540 단계에서는 2차원 물질층 상에 전극(30)을 형성하게 되는데, 전극의 형성은 스퍼터링 장비 또는 이베포레이션(evaporation) 장비를 이용하여 전극을 증착하고, 필요한 전극 이외의 부분은 리프트 오프(lift-off) 하는 방식으로 이루어지는 것이 일반적이다.
S 550 단계에서는 기판의 상기 2차원 물질층이 형성된 면의 반대면을 식각하게 되고, 이에 의해 기판을 관통하는 캐비티를 형성한다. 이러한 식각은 2차원 물질층 및 전극이 형성된 표면에 보호층을 코팅한 후 식각이 이루어지는 것이 바람직하다. 기판의 식각은 DRIE 또는 wet etching을 통한 1차 식각 및 DRIE 또는 wet etching을 통한 2차 식각으로 나뉘어서 진행될 수도 있다. 한편, 절연층으로 SiO2가 입혀져 있는 경우, 이러한 SiO2를 제거하기 위해 HF와 같은 수용액 또는 증기를 이용해 SiO2를 제거하게 된다.
이때, S 540 단계에서는 식각하는 방식 및 순서에 따라 다양한 형태의 소자구조를 제작할 수 있다. S 550의 마지막 소자와 S 580은 동일한 소자이다.
S 560 단계에서는, 절연층을 식각하지 않은 형태의 구조로써, 이때 2차원 압전 물질층과 절연층이 함께 진동하는 형태의 소자이다.
S 590, S 600, S 610 의 모식도는 상기에서 설명한 소자형태에 2차원 압전 물질층을 보호하기 위한 보호 폴리머층을 덮은 형태이다.
2차원 압전 물질층은 전이금속 칼코게나이드 물질, 알칼리토금속 산화물, 3-5족 화합물 중 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하고, 2차원 압전 물질층의 두께는 1nm 이하인 것이 바람직하다.
한편, 위에서 설명한 것처럼 어레이 형태의 2차원 압전 물질을 이용한 마이크로폰을 제작하는 경우, 캐비티가 복수개 형성되고 복수개의 캐비티에 각각 대응되도록 2차원 물질층이 배치되는 경우, 복수개의 캐비티가 형성되는 위치에 맞도록 2차원 물질층을 패터닝하여 식각하는 것이 바람직하다. 또한, 이 경우 전극의 경우에도 전극 패턴 구조가 이루어져야 하는 것이 바람직하다. 전극층의 경우에도 위에서 설명한 것처럼, 전극층(30)은 제 1 전극 패턴(31) 및 제 2 전극 패턴(32)인 2개의 전극 패턴으로 이루어져 있으며, 제 1 전극 패턴 및 제 2 전극 패턴은 전기적으로 절연되어 있고, 각각 서로 맞물리는(interdigitated) 전극 패턴을 형성하는 것이 바람직하다.
이하에서는 구체적인 실시예와 함께 본 발명의 내용을 추가적으로 설명하도록 하겠다.
2차원 물질층으로서 TMD 나노시트 물질은 가장 대표적으로 널리 알려진 MoS2를 이용하였다. 더 자세하게는 대량화 및 상용화를 위해 화학기상증착 (Chemical Vapor Deposition : CVD) 방식으로 합성된 대면적 MoS2를 사용하였다.
전극을 증착하기 위해 Sputtering 또는 Evaporation 방식을 사용하였고, 패터닝 및 식각 공정을 위해 Photo-lithography 공정을 사용하였으며 식각은 DRIE (Deep Reactive Ion Etching) 또는 Wet etching을 사용하였다.
1) 화학기상증착 (Chemical Vapor Deposition : CVD) 방식을 이용한 대면적 MoS2(이황화몰리브덴) 합성
세라믹보트에 MoO3 파우더를 소량 담아 Quartz 튜브 중앙에 놓는다. 이때 MoO3 파우더의 양은 SiO2 기판의 수 또는 기판 사이즈에 따라 조절한다. 세척된 SiO2 기판을 세라믹보트에 올려서 MoO3 파우더가 담긴 보트 뒤쪽에 놓는다. 로터리 펌프를 이용하여 Quartz 튜브 안쪽을 진공상태로 만들어주고, 초고순도 Ar 가스를 200sccm 넣어준다. 가스가 들어가면 압력을 10Torr 로 조절한다. CVD 챔버 온도를 약 30분 동안 700℃까지 가열한다. 700℃에 도달하면 H2S 가스 5sccm을 넣고 압력은 계속 10Torr로 조절후, 약 15분 성장한다. 이때, H2S 가스의 양, 성장시간은 SiO2 기판의 수 또는 기판 사이즈에 따라 조절한다.
MoS2 성장이 끝나면 바로 H2S 가스를 주입을 차단하고 CVD를 상온까지 떨어지도록 자연냉각 시킨다. 이에 대한 상세한 내용은 도 8을 참조한다.
2) MoS2 상부 패터닝 및 전극 패드 형성
성장된 MoS2 nanosheet를 정사각형의 array가 배열된 형태로 만들기 위하여 Photo-lithograpy 공정을 이용한다. 이때, 정사각형의 크기와 각 정사각형간의 간격은 원하는 마이크 사이즈에 따라 조절가능하다.
MoS2를 정사각형 형태로 남기기 위해, positive lithography 방식을 이용한다. UV 조사 후, 현상액에 현상시킨 샘플은 플라즈마 식각 공정을 이용하여 정사각형 이외의 나머지 부분의 MoS2 는 모두 식각한다. MoS2를 식각하기 위해 사용하는 가스는 CF4 와 O2를 적절히 섞어 사용한다.
나머지 Photoresist를 제거하기 위하여, 아세톤 또는 PR remover 용액을 이용하여 제거한다.
정사각형 array 가 나열 된 MoS2 위에 전극을 증착시키기 위해 negative lithography 공정을 이용하여 전극을 패터닝 한다.
UV 조사 후, 현상액에 현상시킨 샘플위에 Sputtering 또는 Evaporation 공정을 이용하여 전극을 증착시킨다.
전극 증착 후, 아세톤 또는 PR remover 용액으로 전극 이외의 부분을 벗겨내는 lift-off 방식을 이용하고 전극을 드러낸다.
3) DRIE 또는 wet etching을 이용하여 1차 식각
전극 및 패드가 형성된 기판 상부에 폴리머 또는 PR 용액을 이용하여 스핀코팅을 하여 보호층을 형성한다.
기판 back side 부분 cavity 형성을 위해, Si 기판 뒷면에 nagative lithography 공정을 이용하여 원하는 hole 크기의 cavity를 패터닝한다.
현상액에 현상 후, DRIE 장비를 이용하여 Si 부분을 얕게 식각한다. 이때 식각하는 깊이는 5~50um가 적당하다.
또는 KOH, TMAH 등의 용액을 이용한 wet etching 방법을 사용하여 패터닝된 Si 부분을 식각한다.
4) DRIE 또는 wet etching을 이용하여 2차 식각
남아있는 Si 부분을 식각하기 위해 다시 DRIE 공정 또는 wet etching을 반복한다.
5) HF vapor 를 이용한 SiO2 식각
MoS2를 Cavity 위에 떠 있는 구조를 만들기 위하여, SiO2를 제거한다. 이때, 플라즈마에 의해 2차원 물질이 데미지를 받기 때문에 반드시 HF 와 같은 수용액 또는 그 증기를 이용하여 SiO2를 제거한다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.
Claims (20)
- 캐비티를 포함하는 기판;
상기 기판 상에 배치되며 상기 캐비티를 커버하도록 배치된 2차원 압전 물질층;
상기 2차원 압전 물질층 상에 배치된 전극층을 포함하고,
소리에 의해 상기 2차원 압전 물질층이 진동함에 따라 전기적 포텐셜을 생성하는,
마이크로폰.
- 제 1 항에 있어서,
상기 기판은 기판 상에 절연층을 추가로 포함하는,
마이크로폰.
- 제 1 항에 있어서,
상기 2차원 압전 물질층은 전이금속 칼코게나이드, 알칼리토금속 산화물, 3-5족 화합물 중 어느 하나로 이루어진,
마이크로폰.
- 제 1 항에 있어서,
상기 2차원 압전 물질층의 두께는 1nm 이하인,
마이크로폰.
- 제 1 항에 있어서,
상기 2차원 압전 물질층의 공진 주파수는 20kHz를 이상인,
마이크로폰.
- 제 1 항에 있어서,
상기 2차원 압전 물질층은 복수개의 층으로 이루어진,
마이크로폰.
- n x m (n, m은 2이상의 정수) 개의 배열로 이루어진 복수개의 캐비티를 포함하는 기판;
상기 기판 상에 배치되며 상기 복수개의 캐비티를 커버하도록 배치된 복수개의 2차원 압전 물질층;
상기 복수개의 2차원 압전 물질층 각각에 배치되도록 이루어진 전극층을 포함하고,
상기 전극층은 제 1 전극 패턴 및 제 2 전극 패턴인 2개의 전극 패턴으로 이루어져 있으며, 상기 제 1 전극 패턴 및 제 2 전극 패턴은 전기적으로 절연되어 있고, 각각 서로 맞물리는(interdigitated) 전극 패턴을 형성하며,
소리에 의해 상기 복수개의 2차원 압전 물질층이 진동함에 따라 전기적 포텐셜을 생성하는,
마이크로폰.
- 제 7 항에 있어서,
상기 기판은 기판 상에 절연층을 추가로 포함하는,
마이크로폰.
- 제 7 항에 있어서,
상기 2차원 압전 물질층은 전이금속 칼코게나이드, 알칼리토금속 산화물, 3-5족 화합물 중 어느 하나로 이루어진,
마이크로폰.
- 제 7 항에 있어서,
상기 2차원 압전 물질층의 두께는 1nm 이하인,
마이크로폰.
- 제 7 항에 있어서,
상기 2차원 압전 물질층의 공진 주파수는 20kHz를 이상인,
마이크로폰.
- 제 7 항에 있어서,
상기 2차원 압전 물질층은 복수개의 층으로 이루어진,
마이크로폰.
- 기판을 준비하는 단계;
상기 기판 상에 2차원 물질층을 형성하는 단계;
기판에 형성되는 캐비티 부분에 상기 2차원 물질층이 배치되도록 상기 2차원 물질층을 패터닝하고 원하는 형태로 식각하는 단계;
상기 2차원 물질층 상에 전극을 형성하는 단계; 및
상기 기판의 상기 2차원 물질층이 형성된 면의 반대면을 식각하는 단계를 포함하고,
상기 기판의 상기 2차원 물질층이 형성된 면의 반대면을 식각함에 의해 기판을 관통하는 캐비티를 형성하게 되며,
상기 캐비티가 형성된 부분에 상기 2차원 물질층이 배치되어 소리에 의해 상기 2차원 압전 물질층이 진동함에 따라 전기적 포텐셜을 생성하는,
마이크로폰의 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서,
상기 기판은 기판 상에 절연층을 추가로 포함하고,
상기 절연층도 상기 기판이 식각될 때 함께 식각되어 관통 캐비티를 형성하는,
마이크로폰의 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서,
상기 2차원 압전 물질층은 전이금속 칼코게나이드, 알칼리토금속 산화물, 3-5족 화합물 중 어느 하나로 이루어진,
마이크로폰의 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서,
상기 2차원 압전 물질층의 두께는 1nm 이하인,
마이크로폰의 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서,
상기 기판을 식각하는 단계는,
상기 2차원 물질층 및 전극이 형성된 표면에 보호층을 코팅한 후 식각이 이루어지는,
마이크로폰의 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서,
상기 캐비티가 복수개 형성되고,
상기 복수개의 캐비티에 각각 대응되도록 상기 2차원 물질층을 패터닝하여 식각함으로써 복수개의 2차원 물질층이 복수개의 캐비티에 각각 대응되는,
마이크로폰의 제조 방법.
- 제 18 항에 있어서,
상기 복수개의 2차원 압전 물질층 각각에 배치되도록 이루어진 전극층을 포함하고,
상기 전극층은 제 1 전극 패턴 및 제 2 전극 패턴인 2개의 전극 패턴으로 이루어져 있으며, 상기 제 1 전극 패턴 및 제 2 전극 패턴은 전기적으로 절연되어 있고, 각각 서로 맞물리는(interdigitated) 전극 패턴을 형성하는,
마이크로폰의 제조 방법.
- 제 13 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조된, 마이크로폰.
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