KR20180105068A - 멤스 기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치 및 제조 방법 - Google Patents

멤스 기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치 및 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일실시예에 따르면, 멤스 기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치로서, SOI 기판의 상부 기판을 나노 단위 물질의 파괴 거동 분석을 수행하는 고정판과 이동판으로 구성하고 이동판의 하부 영역에는 SOI 기판의 하부 기판이 바텀 매스로 형성되도록 함으로써, 시편의 파괴 거동을 위한 외력이 이동판에 인가되는 경우, 외력이 바텀 매스를 통해 분산되고 이에 따라 외력에 의한 시편의 파괴 현상이 지연되어 시편에 대한 파괴 거동을 보다 정확히 측정할 수 있다.

Description

멤스 기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치 및 제조 방법{MEMS-BASED APPARATUS FOR CHARACTERIZATION OF FRACTURE BEHAVIOR AT NANO-SCALE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 나노 단위 물질에 대한 파괴 거동 분석 장치에 관한 것으로, 특히 나노 단위의 초미세 물질에 대한 파괴 거동 분석을 보다 안정적으로 수행할 수 있도록 하는 멤스 기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치 및 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 나노기술이란 물질을 나노미터 크기의 범주에서 조작 분석하고 이를 제어함으로써 개선된 물리적 화학적 생물학적 특성을 나타내는 소재, 소자 또는 시스템을 만들어 내는 과학기술을 의미할 수 있다.
한편, 위와 같은 나노 기술에서는 나노 물질의 거동 분석이 필요하며, 이에 따라 나노 단위의 초미세 물질에 대한 다양한 테스트 장비가 개발되고 있다.
그러나, 나노 단위의 초미세 물질에 대한 인장 테스트에 있어서, 기존 인장 테스트 장비를 이용하여서는 나노 단위의 초미세 물질을 정확히 측정할 수 없었다.
따라서, 나노 단위의 초미세 물질에 대한 정확한 인장 테스트를 수행할 수 있는 인장 테스트 장비에 대한 필요성이 지속적으로 대두되어 왔다.
(특허문헌)
대한민국 공개특허번호 제10-2012-0134910호(공개일자 2012년 12월 12일)
따라서, 본 발명의 일실시예에서는 나노 단위의 초미세 물질에 대한 파괴 거동 분석을 보다 안정적으로 수행할 수 있도록 하는 멤스 기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치 및 제조 방법을 제공하고자 한다.
상술한 본 발명은 멤스기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치로서, 베이스 기판의 상부 기판상 일부분에 형성되며, 외력이 가해지는 경우 외력에 의해 움직이는 이동판과, 상기 상부 기판상 타부분에 형성되며, 상기 외력에 의해 움직이지 않은 고정판과, 상기 이동판이 상기 고정판에 의해 지지되도록 상기 이동판과 상기 고정판을 연결하며 서로 이격 위치되는 제1 연결부 및 제2 연결부와, 상기 베이스 기판의 하부 기판상 상기 이동판에 대응되는 영역에 형성되어 상기 외력에 의해 상기 이동판에 가해지는 힘을 분산시키는 바텀 매스를 포함한다.
또한, 상기 장치는, 상기 고정판과 상기 이동판상 측정 대상 시편이 놓여지는 영역의 상부에 상기 시편의 물질 특성 측정을 위해 형성되는 기설정된 패턴의 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 연결부는, 상기 고정판의 일단에서 연장되어 상기 고정판의 내부에 위치하는 상기 이동판에 연결되며, 상기 제2 연결부는, 상기 고정판의 타단에서 연장되어 상기 고정판의 내부에 위치하는 상기 이동판에 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 연결부와 상기 제2 연결부는, 대칭구조로 형성되어 상기 이동판이 상기 외력이 가해지는 방향에 대응되는 방향으로 움직이도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 연결부와 상기 제2 연결부는, 기설정된 스프링 상수를 가지며, 상기 이동판에 외력이 가해지는 경우 상기 외력에 대응되게 상기 이동판을 이동시키며 상기 외력이 제거되는 경우 상기 이동판을 원래 위치로 복원시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 연결부와 상기 제2 연결부는, 상기 하부 기판의 일부가 식각되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 시편은, 상기 외력에 의해 상기 이동판이 움직이는 방향에 위치한 상기 고정판의 일부 영역과 상기 이동판의 일부 영역 사이에 고정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고정판은, 상기 상부 기판상 H 자 형태의 평판으로 형성되며, 상기 이동판은, 상기 H자 형태의 상기 고정판의 내부 공간 양측에 사각형 형태의 평판으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하부 기판은, 상기 상부 기판보다 두껍게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상부 기판은, 20∼30μm의 두께로 형성되며, 상기 하부 기판은, 450∼500μm 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 베이스 기판은, SOI(silicon on insulator) 기판인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 시편은, 나노 단위 물질인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 멤스기반 나노 단위 파괴 거동 분석 방법으로서, 베이스 기판의 상부 기판상 외력에 의해 움직이는 이동판과 상기 이동판과 분리되며 상기 외력에 의해 움직이지 않는 고정판을 형성하는 단계와, 상기 상부 기판상 상기 이동판의 일부 영역과 상기 고정판의 일부 영역을 연결하며 서로 이격 위치되는 제1 연결부와 제2 연결부를 형성하는 단계와, 상기 베이스 기판의 하부 기판상 상기 이동판에 대응되는 영역에 상기 외력에 의해 상기 이동판에 가해지는 힘을 분산시키는 바텀 매스를 형성하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 이동판과 고정판을 형성하는 단계는, 상기 베이스 기판의 상부 기판의 전면에 절연막을 도포시키는 단계와, 상기 절연막을 패터닝하여 식각 마스크를 형성하는 단계와, 상기 식각 마스크를 통해 상기 상부 기판을 식각하여 상기 상부 기판상 상기 이동판과 상기 고정판을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 바텀 매스를 형성하는 단계는, 상기 베이스 기판의 하부 기판의 전면에 제1 절연막을 도포시키는 단계와, 상기 제1 절연막을 패터닝하여 제1 식각 마스크를 형성하는 단계와, 상기 제1 식각 마스크를 통해 상기 하부 기판상 중앙부 일정 영역을 기설정된 깊이 만큼 식각시키는 단계와, 상기 중앙부 일정 영역이 식각된 하부 기판의 전면에 제2 절연막을 도포시키는 단계와, 상기 제2 절연막을 패터닝하여 제2 식각 마스크를 형성하는 단계와, 상기 제2 식각 마스크를 통해 상기 하부 기판상 상기 고정판과 상기 이동판의 경계영역과 측정 대상 시편이 놓여지는 상기 고정판과 상기 이동판의 갭 영역을 상기 상부 기판과 상기 하부 기판 사이의 내부 절연막이 드러나도록 식각하는 단계와, 상기 내부 절연막의 일부를 식각하여 상기 고정판과 상기 이동판을 분리시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 내부 절연막이 드러나도록 식각하는 단계에서, DRIE(deep reactive ion etching)를 이용하여 상기 하부 기판을 식각하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 분리시키는 단계에서, HF 식각공정을 이용하여 상기 내부 절연막의 일부를 식각시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 방법은, 상기 고정판과 상기 이동판상 측정 대상 시편이 놓여지는 영역의 상부에 상기 시편의 물질 특성 측정을 위한 기설정된 패턴의 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 멤스 기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치로서, SOI 기판의 상부 기판을 나노 단위 물질의 파괴 거동 분석을 수행하는 고정판과 이동판으로 구성하고 이동판의 하부 영역에는 SOI 기판의 하부 기판이 바텀 매스로 형성되도록 함으로써, 시편의 파괴 거동을 위한 외력이 이동판에 인가되는 경우, 외력이 바텀 매스를 통해 분산되고 이에 따라 외력에 의한 시편의 파괴 현상이 지연되어 시편에 대한 파괴 거동을 보다 정확히 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 멤스기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 멤스기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치에서 외력에 의한 힘의 개념을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 멤스기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치의 평면도.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일실시예에 따른 멤스기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치의 제작 공정 단면도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 멤스기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치의 동작 개념도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 멤스기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치에 대한 유한 요소법 시뮬레이션 결과도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 멤스 기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치의 사시도이다.
이하, 도 1을 참조하여, 멤스 기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치의 구조와 멤스 기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치의 각 구성 요소의 동작을 보다 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 멤스 기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치(120)의 구조를 살펴보기로 한다.
멤스 기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치(120)를 제작함에 있어서, 도 1의 (a)에서와 같이 상부 기판(102), 내부 절연막(104), 하부 기판(106)으로 이루어지는 SOI(silicon on insulator) 기판(100)의 상부 기판(102)을 식각하여 나노 단위 물질의 파괴 거동 분석을 수행하기 위한 고정판(fixed anchor)(122)과 이동판(movable part)(124)으로 생성하고 이동판(124)은 대칭적 구조를 가지는 제1 연결부(126)와 제2 연결부(128)를 통해 고정판(122)과 연결되도록 하며, 이동판(124)의 하부 영역에는 SOI 기판의 하부 기판(106)을 식각하여 바텀 매스(bottom mass)(130)로 형성되도록 한다.
이때, SOI 기판(100)은 내부 절연막(104)을 사이에 두고 상부와 하부에 각각 실리콘 기판(102, 106)이 형성된 웨이퍼 기판을 의미한 것으로, 상부 기판(102)의 두께는 20∼30μm로 형성되며, 하부 기판(106)은 상부 기판(102) 보다는 상대적으로 두꺼운 450∼500μm 두께로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 이러한, SOI 기판(100)에 고정판(122)과 이동판(124)을 형성함에 있어서, SOI 기판(100)의 상부 기판(102) 상에 식각 마스크의 형성을 위한 절연막을 형성시키고, 절연막의 상부를 포토리소그래피(photo-lithography) 공정으로 패터닝(patterning)하여 SOI 기판(100)의 상부 기판(102)상 고정판(122)과 이동판(124)을 형성시키기 위한 식각 마스크를 형성시킨다. 이어 식각 마스크를 이용하여 상부 기판을 DRIE(deep reactive ion etching) 공정 등으로 식각하여 고정판(122)과 이동판(124)을 형성시킨다.
이때, 도 1에서 보여지는 바와 같이 고정판(122)은 예를 들어 H자 형태의 평판으로 형성될 수 있고, 이동판(124)은 H자 형태의 내부 공간 양측에 고정판(122)가 서로 분리되는 사각형 형태의 평판으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 이때, SOI 기판(100)의 상부 기판(102)상 고정판(122)과 이동판(124)을 형성하는 과정에서 도 1의 (b)에서 보여지는 바와 같이 고정판(122)의 한쪽 끝단과 다른쪽 끝단에는 고정판(122)과 이동판(124)을 연결시키는 상부 기판(102)의 일부인 제1 연결부(126)와 제2 연결부(128)가 잔존하도록 한다.
이러한 제1 연결부(126)와 제2 연결부(128)는 도 1에서 보여지는 바와 같이 대칭적 구조를 이루면서 이동판(124)이 고정판(122)에 의해 지지되도록 하는 역할을 수행하며, 또한,
이동판(124)에 외력(150)이 가해지는 경우 외력(150)에 따라 이동판(124)이 움직이도록 하고 외력(150)이 제거되는 경우 이동판(124)을 다시 원래의 위치로 귀환시키는 스프링(spring)의 역할을 수행하게 된다.
위와 같은 구조에 따라, 외부로부터 이동판(124)으로 힘이 인가되는 경우 스프링의 강도와 대칭적 구조로 인해 외력(150)이 인가되는 경우 한쪽 방향으로 외력(150)이 가해지도록 구성됨으로써, 대칭성을 통해 원하는 방향 외의 방향으로 인장되는 힘이 분산되는 것을 최소화하고 가해진 외력(150)이 바로 시편(134)에 전해져서 시편(134)에 대한 파괴 거동 분석이 보다 정확하게 이루어지도록 한다.
바텀 매스(130)는 SOI 기판(100)의 하부 기판(106)을 식각하여 형성하며, 이러한 바텀 매스(130)를 형성함에 있어서 도 1에서 보여지는 바와 같이, SOI 기판(100)의 하부 기판(106) 중 이동판(124)에 대응하는 영역의 하부 기판(105)이 잔존하도록 하여 바텀 매스(130)를 형성시킬 수 있다.
이러한 바텀 매스(130)는 이동판(124)과 고정판(122)의 두께와 비교하여 상대적으로 더 두꺼운 기판으로 형성됨에 따라 나노 단위 물질의 파괴 거동 분석을 위해 이동판(124)에 외력(150)이 가해지는 경우 외력(150)에 의한 힘이 이동판(124)에 집중되는 것을 분산시켜 이동판(124)이 급격하게 이동하는 것을 방지시킬 수 있다.
다음으로, 멤스 기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치(120)의 각 구성요소의 동작을 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 분석 대상이 되는 시편(134)은 도 1에서 보여지는 바와 같이 이동판(124)과 고정판(122)의 사이에 놓여질 수 있다. 이러한 시편(134)은 나노 단위의 초미세 물질일 수 있으며 접착제 등을 통해 일부는 이동판(124)에 고정되도록 하고 다른 일부는 고정판(122)에 고정되도록 설치될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이동판(124)은 제1 연결부(126)와 제2 연결부(128)를 통해 고정판(122)에 지지되며, 외력(150)이 인가되는 경우 도 1의 (c)에서와 같이 외력이 인가되는 화살표 방향으로 이동한다. 이에 따라 이동판(124)이 이동하는 힘이 이동판(124)과 고정판(122) 사이에 놓여진 시편(134)에 전달된다.
이때, 예를 들어 시편(134)에 전달되는 힘은 인장력으로 작용할 수 있으며, 이러한 인장력은 시편(134)이 파괴 거동을 보이는 시점까지 가해질 수 있고, 시편(134)에 파괴 거동이 발생하는 시점의 인장력을 측정하여 해당 시편(134)의 인장력을 측정하게 되는 것이다.
한편, 위와 같은 나노 단위 물질에 대한 인장력 측정에 있어서 종래 측정 장치의 구조에서는 바텀 매스와 같은 고중량 요소와 대칭적 구조가 존재하지 않아 외력(150)에 의해 이동판(124)이 급속하게 이동하게 되어 시편(134)의 파괴 거동이 급속히 발생하게 됨으로써 나노 단위의 초미세 물질에 대한 인장력 등의 특성을 정확히 측정하기 어려웠다.
그러나, 본 발명의 일실시예에서는 스프링 역할을 하는 제1 연결부(126)와 제2 연결부(128)의 강도와 대칭적 구조로 인해 이동판(124)으로 인가된 외력(150)이 한쪽 방향으로 가해지도록 함으로써, 대칭성을 통해 이동판(124)에 인가된 외력(150)이 원하는 방향외의 다른 방향으로 분산되는 것을 최소화하고 가해진 힘이 바로 시편(134)에 전해져서 시편(134)에 대한 파괴 거동 분석이 보다 정확하게 이루어지도록 한다.
또한, 이동판(124)의 하부에는 SOI 기판(100)의 상부 기판(102)보다 상대적으로 두꺼운 하부 기판(106)을 식각하여 고중량의 바텀 매스(130)를 형성함으로써 나노 단위 물질의 파괴 거동 분석을 위해 이동판(124)에 외력(150)이 가해지는 경우 외력(150)에 의한 힘이 이동판(124)에 집중되는 것을 분산시켜 이동판(124)이 급격하게 이동하는 것을 방지시킬 수 있다. 이에 따라 시편(134)의 파괴 현상이 지연되어 시편(134)에 대한 파괴 거동을 보다 정확히 측정할 수 있다.
이때, 측정 대상 시편(134)에 가해지는 외력(150)에 의한 힘(F)은 도 2에서와 같이 표현될 수 있으며, 아래의 [수학식 1]과 같이 산출될 수 있다.
Figure pat00001
위 [수학식 1]에서, Fd는 이동판(124)에 가해지는 힘, Fs는 시편(134)에 가해지는 힘, △x는 이동판(124)과 시편(134)이 움직인 거리, Kd는 이동판(124)의 스프링 상수, Ks는 시편(134)의 스프링 상수를 나타낸다.
즉, 외력(150)에 의해 가해지는 전체 힘(F)은 이동판(124)에 가해지는 힘(Fd)과 시편(134)에 가해지는 힘(Fs)의 합으로 나타낼 수 있다. 또한, Fd는 이동판(124)이 움직인 거리(△x)와 이동판(124)의 스프링 상수(Kd)의 곱으로 표현될 수 있으며, Fs는 시편(134)이 움직인 거리와 시편(134)의 스프링 상수(Ks)의 곱으로 표현될 수 있다.
이어, 시편(134)에 파괴 거동이 발생하는 경우, 힘(F)은 다시 Kd△x'으로 나타낼 수 있으며, 이때, △x'은 시편(134)이 파괴되면서 이동판(124)이 추가로 이동한 거리를 의미한다.
따라서, 시편(134)이 파괴될 때의 힘(F)은 최종적으로 위 [수학식 1]에서 보여지는 바와 같이 △xKs 가 될 수 있다.
즉, 위 [수학식 1]에 의하면 이동판(124)에 가해지는 외력(150)에 의한 시편(134)이 파괴 거동 측정에 있어서, 시편(134)의 크기가 작을수록 시편(134)의 파괴 현상을 지연시키는데 유리하다는 것을 알 수 있다. 또한, 시편(134)을 올려두는 이동판(124)과 고정판(122) 사이의 갭(gap) 공간의 크기가 작을수록 그리고 분석 장치(120)의 무게가 클수록 시편(134)의 파괴 현상을 지연시키는데 유리하다는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 바텀 매스(130)의 구성을 통해 파괴 거동 분석 장치(120)의 무게를 대폭 향상시켜 시편(134)의 파괴 현상이 지연되도록 함으로써 나노 단위 물질의 파괴 거동 측정을 보다 정밀하게 측정할 수 있게 되는 것이다.
도 3은 도 1의 평면도를 도시한 것이다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일실시예에 따른 멤스 기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치의 제작 방법을 도시한 공정 단면도이다.
이하, 도 3 및 도 4a 내지 도 4f를 참조하여 멤스 기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치(120)의 제작 공정을 보다 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 도 4a에 도시한 바와 같이, SOI 기판의 상부 기판(102)과 하부 기판(106)을 폴리싱(polishing)한다.
이어, 도 4b에서 보여지는 바와 같이 SOI 기판의 상부 기판(102)상 기설정된 영역에 측정 대상 시편(134)의 특성 측정을 위한 전극(400)을 형성시킨다. 이때 이러한 전극(400)의 형성에 있어서는 상부 기판(102)상 전극(400)이 형성될 영역에 포토리소그래피 공정 등을 이용하여 전극(400)에 대응되는 패턴의 마스크(도시하지 않음)를 형성시킨 후 마스크를 이용하여 상부 기판(102)상 전극(400)이 형성될 영역에 금, 은, 구리 등의 도전성 물질을 증착시키는 것을 통해 전극(400)을 형성시킬 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이어, 도 4c에서와 같이 전극(400)이 형성된 SOI 기판의 상부 기판(102) 전체에 옥사이드(oxide), 나이트라이드(nitride) 등의 절연막을 형성시킨 후 포토리소그래피 공정 등으로 절연막을 패터닝하여 상부 기판(102)상 고정판(122)과 이동판(124)을 형성시키기 위한 식각 마스크(402)를 형성시킨다. 이때, 식각 마스크(402)는 패터닝된 절연막을 의미할 수 있다.
이어, 식각 마스크(402)를 이용하여 상부 기판(102)을 식각하여 고정판(122)과 이동판(124)을 형성시킨다. 이때, 상부 기판(102)을 식각함에 있어서 DRIE(deep reactive ion etching)를 이용하여 SOI 기판의 내부 절연막(104)이 드러날때까지 SOI 기판의 상부 기판(102)을 식각하여 고정판(122)과 이동판(124)을 형성시킨다.
또한, 이때 위와 같은 식각 마스크(402)를 도 3에서 보여지는 바와 같이 상부 기판(102)에서 제1 연결부(126)와 제2 연결부(128)가 잔존할 수 있는 형태로 패터닝하여 DRIE를 진행하는 경우 고정판(122)과 이동판(124)이 형성되는 과정에서 제1 연결부(126)와 제2 연결부(128)도 생성될 수 있도록 한다. 이때, 제1 연결부(126)와 제2 연결부(128)는 도 4b에서 상부 기판(102)과 다른 무늬로 표시하였으나 제1 연결부(126)와 제2 연결부(128)가 구별되어 표시될 수 있도록 한 것으로 제1 연결부(126)와 제2 연결부(128)는 상부 기판(102)의 일부이다.
이어, 도 4d에서와 같이 SOI기판의 하부 기판(106)중 중앙부 일정 영역을 기설정된 깊이 만큼 식각시킨다. 이때, 중앙부 일정 영역을 식각시키는 공정에 있어서 SOI 기판의 하부 기판(106) 전면에 옥사이드 등 절연막을 도포시킨 후 포토리소그래피 공정 등으로 절연막을 패터닝하여 식각시키고자 하는 중앙부 영역만 오픈되도록 식각 마스크를 형성시키고, 형성된 식각 마스크를 이용하여 중앙부 일정 영역을 식각시킬 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이어, 도 4e에서와 같이 고정판(122)과 이동판(124)의 경계영역(450)과 그리고 고정판(122)과 이동판(124) 사이에 시편(134)이 놓여지는 갭 영역(460)에 대응되는 SOI 기판의 하부 기판(106)상 영역을 SOI 기판의 내부 절연만(104)이 드러나도록 식각시킨다. 위와 같은 갭 영역(460)을 식각시키는 것은 추후 시편(134)에 대한 원자배열 측정을 위한 것이다. 즉, 시편(134)에 파괴 거동 분석 시 예를 들어 TEM 장비를 이용하여 파괴 거동이 일어나는 시편(134)에 대한 원자배열을 분석할 수 있는데, 갭 영역(460)은 이러한 TEM 장비로 시편(134)에 대한 원자배열 특성을 측정하기 위한 용도로 활용될 수 있다.
이때, SOI 기판의 하부 기판(106)상 경계 영역과 갭 영역을 식각시키는 공정에 있어서 SOI 기판의 하부 기판(106) 전면에 옥사이드, 나이트라이드 등 절연막을 도포시킨 후 포토리소그래피 공정 등으로 절연막을 패터닝하여 식각시키고자 하는 하부 기판(106)상 영역이 오픈되도록 식각 마스크(도시하지 않음)를 형성시키고, 형성된 식각 마스크를 이용하여 하부 기판(106)을 식각시킨다. 이때, 하부 기판(106)을 식각함에 있어서 DRIE(deep reactive ion etching)를 이용하여 SOI 기판의 내부 절연막(104)이 드러날때까지 SOI 기판의 하부 기판(106)을 식각시킨다.
이어, 도 4f에서와 같이 SOI 기판의 하부 기판(106)상 드러난 내부 절연막(104)에 대해 부분 식각을 수행하여 고정판(122)과 이동판(124)이 서로 분리되도록 한다. 이때, 이동판(124)의 하부 영역에 잔존하는 하부 기판(106)이 바텀 매스(130)로 형성된다. 또한, 이때, 내부 절연막(104)에 대한 부분 식각에 있어서는 HF 식각으로 내부 절연막(104)에 대한 부분 식각을 수행하는 것이 바람직하나 이에 한정되지는 않는다.
위 도 4f의 공정이 완료되는 경우 도 4f에서 보여지는 바와 같이 제1 연결부(126)와 제2 연결부(128)를 제외하고 SOI 기판상 고정판(122)과 이동판(124)이 완전히 분리되어 나노 단위 파괴 거동 분석 장치(120)로 동작 가능하게 된다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 멤스 기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치(120)의 동작 개념도를 도시한 것이다.
도 5에서 보여지는 바와 같이 멤스 기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치(120)의 이동판(124)에 외력(150)이 가해지는 경우 외력이 가해진 방향으로 움직이게 된다. 이때 X 표시된 부분이 고정판(122)을 나타낸 것이며, 화살표 표시된 부분이 이동판(124)을 나타낸 것이다.
즉, 이동판(124)은 화살표 방향에서와 같이 외력(150)이 인가된 방향으로 움직이게 되며, 이때 이동판(124)이 움직이는 속도는 제1 연결부(126)와 제2 연결부(128)의 스프링 상수와 바텀 매스(130)의 무게에 영향을 받게 되는데, 본 발명의 일실시예에서는 이동판(124)이 형성된 SOI 기판상 하부 기판(106)에 무게가 큰 바텀 매스(130)가 형성되도록 하여 이동판(122)의 움직이는 속도를 낮추는 것이 가능함으로써 시편(134)의 파괴 현상이 지연될 수 있다. 이에 따라 나노 단위 초미세 물질에 대한 보다 정확한 파괴 거동 분석이 가능하게 되는 것이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 멤스 기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치(120)의 스트레스의 크기를 나타낸 사진 예시도이다.
도 6에 도시된 사진은 본 발명의 일실시예에 따른 멤스 기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치(120)의 특성 평가를 위해 유한 요소법을 이용한 측정 결과를 예시한 것이며, 멤스 기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치(120)에 외력(150)을 가했을 때 거리 변화와 스프링 즉 고정판(122)과 이동판(124)을 연결하는 제1 연결부(126)와 제2 연결부(128)에 가해지는 스트레스의 크기를 나타낸 사진이다.
위와 같은 유한 요소법을 이용한 테스트에 쓰인 시편(134)이 놓여지는 이동판(124)과 고정판(12)간 갭(gap)의 크기는 1 이며, 스프링의 스프링 상수는 300 N/m이다. 위 도 6을 참조하면, 유한 요소법을 이용한 시뮬레이션 결과 설계한 스프링의 강도가 설계한 대로구현된 것을 알 수 있고, 주어진 힘에 대한 이동판(124)의 이동 거리 변화가 미리 계산한 값에서 약 5%의 오차를 보이는 것으로 확인되어 설계된 오차범위에서 작동하고 있는 것을 알 수 있다.
따라서, 위와 같은 시뮬레이션을 통해 본 발명의 일실시예에 따른 멤스 기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치(120)의 제작 방법에서의 유효성을 확인 할 수 있다. 아울러 도 6에서 보여지는 바와 같이 멤스 기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치(120)의 스프링에 가해지는 외력(150)의 분포를 보아, 외력(150)이 설계된 대로 멤스 기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치(120)에서 여러 방향으로 치우지지 않고 한쪽 방향으로 가해지고 있음을 확인할 수 있다.
한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.
122 : 고정판 124 : 이동판
126 : 제1 연결부 128 : 제2 연결부
130 : 바텀 매스 134 : 시편

Claims (18)

  1. 베이스 기판의 상부 기판상 일부분에 형성되며, 외력이 가해지는 경우 외력에 의해 움직이는 이동판과,
    상기 상부 기판상 타부분에 형성되며, 상기 외력에 의해 움직이지 않은 고정판과,
    상기 이동판이 상기 고정판에 의해 지지되도록 상기 이동판과 상기 고정판을 연결하며 서로 이격 위치되는 제1 연결부 및 제2 연결부와,
    상기 베이스 기판의 하부 기판상 상기 이동판에 대응되는 영역에 형성되어 상기 외력에 의해 상기 이동판에 가해지는 힘을 분산시키는 바텀 매스를 포함하는
    멤스기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치는,
    상기 고정판과 상기 이동판상 측정 대상 시편이 놓여지는 영역의 상부에 상기 시편의 물질 특성 측정을 위해 형성되는 기설정된 패턴의 전극을 더 포함하는
    멤스기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 연결부는,
    상기 고정판의 일단에서 연장되어 상기 고정판의 내부에 위치하는 상기 이동판에 연결되며,
    상기 제2 연결부는,
    상기 고정판의 타단에서 연장되어 상기 고정판의 내부에 위치하는 상기 이동판에 연결되는
    멤스기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 연결부와 상기 제2 연결부는,
    대칭구조로 형성되어 상기 이동판이 상기 외력이 가해지는 방향에 대응되는 방향으로 움직이도록 하는
    멤스기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 연결부와 상기 제2 연결부는,
    기설정된 스프링 상수를 가지며, 상기 이동판에 외력이 가해지는 경우 상기 외력에 대응되게 상기 이동판을 이동시키며 상기 외력이 제거되는 경우 상기 이동판을 원래 위치로 복원시키는
    멤스기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 연결부와 상기 제2 연결부는,
    상기 하부 기판의 일부가 식각되어 형성되는
    멤스기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 시편은,
    상기 외력에 의해 상기 이동판이 움직이는 방향에 위치한 상기 고정판의 일부 영역과 상기 이동판의 일부 영역 사이에 고정되는
    멤스기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정판은,
    상기 상부 기판상 H 자 형태의 평판으로 형성되며,
    상기 이동판은,
    상기 H자 형태의 상기 고정판의 내부 공간 양측에 사각형 형태의 평판으로 형성되는
    멤스기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 기판은,
    상기 상부 기판보다 두껍게 형성되는
    멤스기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 상부 기판은,
    20∼30μm의 두께로 형성되며,
    상기 하부 기판은,
    450∼500μm 두께로 형성되는
    멤스기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스 기판은,
    SOI(silicon on insulator) 기판인
    멤스기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치.
  12. 제 2 항에 있어서,
    상기 시편은,
    나노 단위 물질인
    멤스기반 나노 단위 파괴 거동 분석 장치.
  13. 베이스 기판의 상부 기판상 외력에 의해 움직이는 이동판과 상기 이동판과 분리되며 상기 외력에 의해 움직이지 않는 고정판을 형성하는 단계와,
    상기 상부 기판상 상기 이동판의 일부 영역과 상기 고정판의 일부 영역을 연결하며 서로 이격 위치되는 제1 연결부와 제2 연결부를 형성하는 단계와,
    상기 베이스 기판의 하부 기판상 상기 이동판에 대응되는 영역에 상기 외력에 의해 상기 이동판에 가해지는 힘을 분산시키는 바텀 매스를 형성하는 단계를 포함하는
    멤스기반 나노 단위 파괴 거동 분석 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 이동판과 고정판을 형성하는 단계는,
    상기 베이스 기판의 상부 기판의 전면에 절연막을 도포시키는 단계와,
    상기 절연막을 패터닝하여 식각 마스크를 형성하는 단계와,
    상기 식각 마스크를 통해 상기 상부 기판을 식각하여 상기 상부 기판상 상기 이동판과 상기 고정판을 형성하는 단계를 포함하는
    멤스기반 나노 단위 파괴 거동 분석 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 바텀 매스를 형성하는 단계는,
    상기 베이스 기판의 하부 기판의 전면에 제1 절연막을 도포시키는 단계와,
    상기 제1 절연막을 패터닝하여 제1 식각 마스크를 형성하는 단계와,
    상기 제1 식각 마스크를 통해 상기 하부 기판상 중앙부 일정 영역을 기설정된 깊이 만큼 식각시키는 단계와,
    상기 중앙부 일정 영역이 식각된 하부 기판의 전면에 제2 절연막을 도포시키는 단계와,
    상기 제2 절연막을 패터닝하여 제2 식각 마스크를 형성하는 단계와,
    상기 제2 식각 마스크를 통해 상기 하부 기판상 상기 고정판과 상기 이동판의 경계영역과 측정 대상 시편이 놓여지는 상기 고정판과 상기 이동판의 갭 영역을 상기 상부 기판과 상기 하부 기판 사이의 내부 절연막이 드러나도록 식각하는 단계와,
    상기 내부 절연막의 일부를 식각하여 상기 고정판과 상기 이동판을 분리시키는 단계를 포함하는
    멤스기반 나노 단위 파괴 거동 분석 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 내부 절연막이 드러나도록 식각하는 단계에서,
    DRIE(deep reactive ion etching)를 이용하여 상기 하부 기판을 식각하는
    멤스기반 나노 단위 파괴 거동 분석 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 분리시키는 단계에서,
    HF 식각공정을 이용하여 상기 내부 절연막의 일부를 식각시키는
    멤스기반 나노 단위 파괴 거동 분석 방법.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 방법은,
    상기 고정판과 상기 이동판상 측정 대상 시편이 놓여지는 영역의 상부에 상기 시편의 물질 특성 측정을 위한 기설정된 패턴의 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는
    멤스기반 나노 단위 파괴 거동 분석 방법.
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