KR20230051520A - 변형 게이지 센서의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 센서를 제작하는 방법을 제공하고, 상기 센서는 중합체 몸체 및 적어도 하나의 쇼트키 접합을 포함하는 변형 게이지를 포함하며, 쇼트키 접합은 바람직하게는 섬유아연석 결정 구조를 갖는 압전 반도체 재료를 포함하는 활성 층을 포함하고, 쇼트키 접합은 활성 층에 전기적으로 접속된 적어도 하나의 금속 전극을 더 포함하고; 상기 방법은 다음과 같은 단계들: 중합체 층을 형성하는 단계(220), 중합체 층 상에 적어도 하나의 금속 전극을 성장시키는 단계(240), 중합체 층 상에 및 금속 전극 상에 원자 층 퇴적(ALD)에 의해 활성 층을 성장시키는 단계(260)를 포함한다. 본 발명은 또한, 중합체 몸체 및 ALD에 의해 획득된 변형 게이지를 포함하는 캔틸레버를 포함하는 센서를 제공한다. 상이한 주파수들에서 게이지 계수 150이 달성된다.
Description
본 발명은 센서 제조 프로세스 분야이다. 더 정확하게는, 본 발명은 쇼트키 피처(Schottky feature)를 갖는 변형 게이지의 제작 프로세스를 제공한다. 본 발명은 또한, 변형 게이지를 수용하는 중합체 몸체(polymer body)를 갖는 센서를 제공한다. 본 발명은 또한 산화아연(zinc oxide)의 용도를 제공한다.
캔틸레버들을 포함한 칩 센서들에는 일반적으로 캔틸레버들의 클램핑된 말단들에서 변형 게이지들이 장착되어 있다. 캔틸레버들의 하위 면들에는 원자력 현미경(AFM)에 유용한 감지 팁(sensing tip)들이 노출된다. 돌출 팁들에 의해 전달되는 캔틸레버 진동들은 변형 게이지들을 변형시킨다; 이로써, 프로브된 표면의 깊이 정보를 제공한다.
그러나, 이러한 센서들은 일반적으로 제한된 정확도를 제공한다. 수천개의 센서가 있는 디바이스를 모니터링할 때 전력 소비가 중요하다. 에너지 자율 디바이스들의 정황에서, 서비스 수명이 제한된다. 또한, 알려진 솔루션들에서는, 변형 검출 감도와 관련된 게이지 계수들이 만족스럽지 않다. 공지된 제조 프로세스들은 일반적으로 결함들을 수반한다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 단점들 중 적어도 일부를 극복하는 제작 방법을 제시하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 변형 게이지를 갖춘 센서를 제작하는 신뢰할 수 있는 방법을 제시하는 것이다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 센서를 제작하는 방법이 제공되고, 상기 센서는 중합체 몸체 및 적어도 하나의 쇼트키 접합을 포함하는 변형 게이지를 포함하며, 쇼트키 접합은 바람직하게는 섬유아연석 결정 구조(wurtzite crystalline structure)를 갖는 압전 반도체 재료를 포함하는 활성 층을 포함하고, 쇼트키 접합은 상기 활성 층에 전기적으로 접속된 적어도 하나의 금속 전극을 더 포함하며; 이 방법은 다음과 같은 단계들: 중합체 층을 형성하는 단계, 중합체 층 상에 적어도 하나의 금속 전극을 성장시키는 단계, 중합체 층 상에 원자 층 퇴적(atomic layer deposition)(ALD)에 의해 활성 층을 성장시키는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 활성 층을 성장시키는 단계는 다음과 같은 범위의 퇴적 온도를 이용하는 단계를 포함할 수 있다: 20 ℃ 내지 150 ℃, 바람직하게는 60 ℃ 내지 100 ℃, 더욱 바람직하게는 60 ℃ 내지 80 ℃.
바람직하게는, 활성 층은, 산화아연(ZnO), 임의로 마그네슘 도핑된 산화아연(MgZnO)을 포함할 수 있고, 활성 층 및 적어도 하나의 금속 전극은 쇼트키 장벽을 정의한다.
바람직하게는, 활성 층을 성장시키는 단계는 분자 산소 가스 펄싱(molecular oxygen gas pulsing)의 하위단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 분자 산소 가스 펄싱의 하위단계는 1초 내지 5초 범위의 시간 길이를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 펄싱은 1 내지 5초 동안 지속되는 기간 동안 수행될 수 있다.
바람직하게는, 활성 층은 다음과 같은 재료들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다: 질화갈륨(GaN); 카드뮴 황화물(CdS); 질화인듐(InN), 스칸듐 도핑된 질화알루미늄(Sc-AlN) 및 이들의 조합들.
바람직하게는, 상기 금속 전극 또는 적어도 하나의 또는 각각의 금속 전극은 백금 전극이거나 백금 합금을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 적어도 하나의 금속 전극은, 금 전극, 또는 은 전극, 또는 팔라듐 전극일 수 있고; 또는 금속 전극은, 백금 합금, 또는 금 합금, 또는 은 합금 또는 팔라듐 합금을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 활성 층은 50 나노미터 내지 500 나노미터 범위의 두께를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 적어도 하나의 금속 전극은 100 nm 내지 200 nm 범위의 두께를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 적어도 하나의 금속 전극은 적어도 5.0eV; 바람직하게는 5.2eV; 더욱 바람직하게는 5.5eV의 일함수(work function)를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 활성 층을 성장시키는 단계에서, 활성 층은 금속 전극들 상에 성장할 수 있다.
바람직하게는, 적어도 하나의 금속 전극은 맞물린 전극(interdigitated electrode)(IDE) 패턴을 정의하는 2개의 금속 전극을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 활성 층은, (002) 결정 배향, 또는 (001) 결정 배향, 또는 (101) 결정 배향을 나타내는 결정립(grain)들의 대부분을 포함하는 섬유아연석 다결정 구조를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 (002) 결정 배향, 또는 (001) 결정 배향, 또는 (101) 결정 배향은 중합체 층에 수직일 수 있다.
바람직하게는, 활성 층은 중합체 층에 수직인 기둥형 (002) 결정 구조를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 중합체 층은 바람직하게는 투명한 중합체 층일 수 있고, 바람직하게는 중합체 몸체는 투명한 중합체 몸체일 수 있다.
바람직하게는, 상기 중합체 층을 형성하는 단계는 SU8 에폭시계 포토레지스트를 이용하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 중합체 층을 형성하는 단계는 중합체 감지 피크를 형성하는 단계를 포함할 수 있거나, 및/또는 활성 층을 성장시키는 단계에서, 상기 활성 층은 감지 피크 위로 또는 그 상단에서 성장할 수 있다.
바람직하게는, 프로세스는 희생 층을 제공하는 단계를 포함할 수 있고; 중합체 층을 형성하는 단계에서, 상기 중합체 층은 상기 희생 층 상에 형성될 수 있고; 프로세스는 릴리스하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 여기서 센서는 희생 층으로부터 릴리스된다.
바람직하게는, 중합체 몸체는 적어도 하나의 캔틸레버를 포함할 수 있고, 적어도 하나의 쇼트키 접합은 캔틸레버에 있으며, 여기서 프로세스는 적어도 하나의 캔틸레버를 형성하는 단계를 포함할 수 있고, 적어도 하나의 캔틸레버를 형성하는 단계는, 활성 층의 두께에 중합체 층의 두께를 더한 것과 동일한 두께를 갖는 하위 중합체 필름을 형성하는 제1 하위단계; 및 하위 중합체 필름 및 활성 층 상에 상위 중합체 필름을 형성하는 제2 하위단계를 포함한다.
쇼트키 접합은 중합체 몸체로부터 연장되는 부재 또는 아암에 포함될 수 있다. 부재 또는 아암은 바람직하게는 중합체 몸체와 일체로 형성될 수 있다.
바람직하게는, 금속 전극을 성장시키는 단계에서, 상기 금속 전극은 전자빔 증발(electron beam evaporation) 또는 PVD 스퍼터링에 의해 성장될 수 있다.
바람직하게는, 금속 전극을 성장시키는 단계는, 디포커싱, 임의로 적어도 -12의 네거티브 디포커싱을 갖는 레이저 리소그래피에 의해 포토레지스트 패턴화하는 하위단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 적어도 하나의 금속 전극은, 바람직하게는 2개의 백-투-백(back-to-back) 쇼트키 다이오드를 형성하기 위해 활성 층과 전기적으로 접촉하는 2개의 금속 전극을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 활성 층은 2개의 금속 전극과의 2개의 쇼트키 접합을 정의할 수 있다.
바람직하게는, 활성 층은, 최대 5㎛의 폭을 갖는 2개의 금속 전극 사이에, 분리 계면, 특히 적어도 하나의 쇼트키 계면을 형성할 수 있다.
바람직하게는, 쇼트키 접합은 정류 쇼트키 장벽을 형성하도록 구성될 수 있다.
바람직하게는, 쇼트키 접합은, 적어도 부분적으로, 캔틸레버, 부재, 또는 아암에 있을 수 있다.
바람직하게는, 캔틸레버 또는 각각의 캔틸레버는 자유 또는 원위 말단, 및 몸체에 있고 자유 말단과는 반대편의, 클램프된 말단 등의 접속 또는 근위 말단을 포함할 수 있고, 변형 게이지는 접속 말단에 있다.
바람직하게는, 활성 층을 성장시키는 단계는 다음과 같은 범위의 온도의 이용을 포함할 수 있다: 50 ℃ 내지 110 ℃, 바람직하게는 55 ℃ 내지 85 ℃.
바람직하게는, 활성 층, 임의로 섬유아연석 결정 구조는, 세라믹, 바람직하게는 압전 반도체 세라믹을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 맞물린 전극(IDE) 패턴은, 적어도 하나의 세트, 바람직하게는 적어도 2개 세트의 평행 핑거들을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 처리된 제1 중합체 층은 200 nm 내지 1 마이크로미터 범위의 두께를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 활성 층을 성장시키는 단계는 패시베이션층을 형성하는 하위단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 중합체 층을 형성하는 단계에서, 상기 중합체 층은 엣지 높이를 갖는 엣지를 형성할 수 있고, 금속 전극을 성장시키는 단계에서, 상기 금속 전극은 엣지 높이를 따라 금속 연속성(metal continuity)을 나타낼 수 있다.
바람직하게는, 중합체 층을 형성하는 단계에서, 상기 중합체 층은 모따기(chamfer)를 형성할 수 있고; 금속 전극을 성장시키는 단계에서, 상기 금속 전극은 모따기를 덮을 수 있다.
바람직하게는, 캔틸레버 내에서, 활성 층은, 적어도 하나의 금속 전극의, 표면의 대부분; 또는 실질적으로 전체 표면을 덮을 수 있다.
바람직하게는, 쇼트키 접합은 활성 층과 적어도 하나의 금속 전극 사이의 접촉 계면을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 활성 층은 적어도 하나의 금속 전극보다 두꺼울 수 있으며, 바람직하게는 적어도 3배 더 두꺼울 수 있다.
바람직하게는, 활성 층 두께를 금속 전극 두께로 나눈 비율은 1 내지 4 범위일 수 있다.
바람직하게는, 활성 층은 최대 100 μm, 바람직하게는 80 μm의 폭을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 활성 층은 최대 500 μm, 바람직하게는 310 μm의 길이를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 캔틸레버 또는 각각의 캔틸레버는 최대 200 μm, 바람직하게는 120 μm의 폭을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 캔틸레버 또는 각각의 캔틸레버는 최대 500 μm, 바람직하게는 200 μm의 길이를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 적어도 하나의 금속 전극은 활성 층과 수직 레벨인 전극 층을 형성할 수 있다.
바람직하게는, 몸체는 외측 표면을 포함할 수 있고, 중합체 층은 외측 표면과 활성 층 및/또는 적어도 하나의 금속 전극 사이에 분리를 형성할 수 있다.
바람직하게는, 변형 게이지는 제1 변형 게이지일 수 있고, 센서는 제1 변형 게이지와 유사하거나 동일한 제2 변형 게이지를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 중합체 층은, 중합체 몸체, 바람직하게는 캔틸레버를 부분적으로 형성할 수 있다.
바람직하게는, 각각의 쇼트키 접합은 쇼트키 장벽을 정의할 수 있다.
바람직하게는, 활성 층을 성장시키는 단계는 적어도 하나의 금속 전극을 성장시키는 단계 후에 실행될 수 있다.
바람직하게는, 활성 층은 피에조트로닉스 재료(piezotronics material)를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태는, 중합체 몸체에 매립된 적어도 하나의 쇼트키 접합을 갖는 변형 게이지를 포함하는 중합체 몸체를 포함하는 센서를 제공하는 것이다; 쇼트키 접합은 압전 반도체 재료를 포함하는 활성 층을 포함하고, 상기 압전 반도체 재료는 바람직하게는 섬유아연석 결정 구조를 포함하고, 활성 층에는 적어도 하나의 금속 전극이 전기적으로 접속되고, 활성 층은 원자 층 퇴적(ALD)에 의해 획득되고, 중합체 층은 활성 층 및 적어도 하나의 금속 전극을 지지하는 표면을 포함하고, 센서는 바람직하게는 본 발명에 따른 방법에 의해 획득된다.
바람직하게는, 적어도 하나의 금속 전극은 적어도 하나의 금속 전극과 활성 층 사이에 있을 수 있다.
피처 ALD는 본 발명의 필수적인 양태는 아니다.
본 발명의 또 다른 양태는, 임의로 적어도 하나의 캔틸레버를 포함하는 중합체 몸체, 및 중합체 몸체 내에 적어도 하나의 쇼트키 접합을 갖는 변형 게이지를 포함하는 센서를 제공하는 것으로, 쇼트키 접합은, 바람직하게는 섬유아연석 결정 구조를 갖는 반도체성 압전 재료를 포함하는 활성 층 또는 활성 필름; 및 적어도 5.00 eV; 또는 5.20 eV; 또는 5.50 eV의 일함수를 포함하는 적어도 하나의 금속 전극을 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태는, 중합체 메인 부분, 특히 본체(main body), 감소된 두께의 중합체 부분, 특히 캔틸레버, 아암 또는 부재, 및 임의로 감소된 두께의 임의적 부분에서 적어도 하나의 쇼트키 접합을 갖는 변형 게이지를 포함하는 센서를 제공하는 것으로, 쇼트키 접합은 우선적으로 섬유아연석 결정 구조를 갖는 반도체성 압전 재료를 포함하는 활성 층, 및 활성 층에 전기적으로 접속된 적어도 하나의 금속 전극을 포함하고; 활성 층 및 적어도 하나의 금속 전극은 바람직하게는 쇼트키 다이오드 및/또는 쇼트키 접촉, 및/또는 쇼트키 장벽, 또는 쇼트키 피처를 형성한다.
본 발명의 또 다른 양태는, 임의로 적어도 하나의 캔틸레버, 아암 또는 부재, 및 적어도 하나의 쇼트키 접합을 갖는 변형 게이지를 포함하는 중합체 몸체를 포함하는 센서를 제공하는 것으로, 쇼트키 접합(들)은, 적어도 하나의 금속 전극, 및 금속 전극과의 쇼트키 접촉을 정의하는 활성 층을 포함하고, 활성 층은, 우선적으로 섬유아연석 결정 구조를 갖는 재료를 포함하고; 50 nm 내지 500 nm, 바람직하게는 100 nm 내지 400 nm 범위의 두께를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태는, 칩 몸체 등의 중합체 몸체, 임의로 중합체 몸체, 특히 중합체 아암으로부터 돌출된 중합체 캔틸레버; 및 우선적으로 섬유아연석 결정 구조를 갖는 압전 반도체 재료를 포함하는 활성 층; 및 중합체 캔틸레버에서 하나 또는 복수의 쇼트키 접합을 정의하기 위해 활성 층에 전기적으로 접속된 적어도 하나의 금속 전극을 포함하는 변형 게이지를 포함하는 센서를 제공하는 것이다.
바람직하게는, 활성 층은 물리 증기 퇴적(physical vapor deposition)(PVD)에 의해 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태는, 임의로 중합체 층 상에 백금 전극 및 산화아연 층에 의해 형성된 접촉 계면을 포함하는 변형 게이지를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 양태는 메인 (002) 결정 배향에 수직인 중합체 층 상에 변형 게이지의 쇼트키 접합의 활성 층을 형성하기 위한 메인 (002) 결정 배향을 포함하는 산화아연(ZnO)의 용도를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 양태는, 변형 게이지의, 쇼트키 접합, 바람직하게는 쇼트키 다이오드, 더욱 바람직하게는 쇼트키 장벽의 활성 층을 형성하기 위한 산화아연(ZnO)의 용도를 제공하는 것으로, 활성 층은 변형 게이지에 수직인 기둥형 (002) 결정체 구조들을 포함하고; 활성 층은 (002) 결정체 구조들의 (002) 축에 수직인 제1 면을 포함하고, 변형 게이지는 상기 제1 면에 배열된 2개의 전극, 바람직하게는 맞물린 전극들(IDE)을 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태는, 임의로 적어도 5.00 eV; 또는 5.20eV; 또는 5.50eV의 일함수를 포함하는 적어도 하나의 금속 전극과의 쇼트키 장벽을 변형 게이지에서 형성하기 위한 섬유아연석 구조를 포함하는 활성 층의 용도를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 양태는 본 발명에 따른 센서를 이용한 측정 프로세스를 제공하는 것으로서, 이 프로세스는, 샘플을 제공하는 단계, 변형 게이지를 변형시키는 단계;
및 센서로 샘플에 관련된 데이터를 측정하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 측정 프로세스는 변형 감지 프로세스 또는 응력 감지 프로세스일 수 있다.
바람직하게는, 측정 프로세스는 원자력 현미경(AFM) 프로세스에 및/또는 시스템에 통합될 수 있다.
바람직하게는, 측정하는 단계 동안, 적어도 10V의 바이어스 전압이 적어도 하나의 금속 전극에 인가될 수 있다.
바람직하게는, 측정하는 동안, 변형 게이지는 최대 50 μW의 전력 소비를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 캔틸레버는 투명 캔틸레버일 수 있고, 프로세스는 투명 캔틸레버를 통해 샘플의 이미지 데이터를 취득하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 상이한 양태들은 서로 조합될 수 있다. 또한, 본 발명의 각각의 양태의 바람직한 피처들은, 명시적으로 반대되는 언급되지 않는 한, 본 발명의 다른 양태들과 조합될 수 있다.
본 발명은 센서용 변형 게이지의 쇼트키 접합의 거동을 개선한다.
게이지 계수가 개선된다. 전력 소비가 감소된다.
본 발명의 여러 실시예가 도면에 의해 예시되며, 이것은 본 발명의 범위를 제한하지 않는다, 여기서
- 도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서의 측면도를 제공한다;
- 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서의 평면도를 제공한다;
- 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서의 하나 또는 2개의 쇼트키 계면(들)을 형성하는 맞물린 전극들(IDE)의 개략도를 제공한다;
- 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서의 하나 또는 2개의 쇼트키 다이오드의 절단도를 제공한다;
- 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서의 쇼트키 장벽 ΦB를 갖는 대역 구조의 예시를 제공한다;
- 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 측정 프로세스의 다이어그램 블록을 제공한다;
- 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 센서를 제작하기 위한 방법의 다이어그램 블록을 제공한다;
- 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 센서를 제작하기 위한 방법의 상세한 다이어그램 블록을 제공한다;
- 도 9a, 도 9b 및 도 9c는, 센서에 대한 상이한 온도에서의 원자 층 퇴적(ALD)에 의해 퇴적된 및/또는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방법에 의한 산화아연 층들의 주사 전자 현미경(SEM) 평면도 이미지들을 제공한다;
- 도 10은 센서에 대한 상이한 온도에서 성장된 및/또는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방법에 의한 ZnO 필름의 회절 패턴들을 제공한다;
- 도 11은 센서에 대해 ALD에 의해 퇴적된 및/또는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방법에 의한 ZnO 박막의 XPS 분석 스펙트럼을 제공한다;
- 도 12는 센서에 대한 성장 온도에 의존하는 및/또는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방법의 의한 O:Zn 원자비의 전개를 나타내는 그래프를 제공한다;
- 도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서에 대한 상이한 퇴적 온도들에 대해 ALD에 의해 성장된 ZnO 박막들의 저항을 나타내는 그래프를 제공한다;
- 도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 입력 바이어스의 상이한 바이어스 전압들 및 상이한 신호 주파수들에서의 센서에 대한 게이지 계수를 나타내는 그래프를 제공한다;
- 도 15는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 I(V) 전류-대-바이어스 전압 곡선들에 의한 피에조트로닉 변형 마이크로센서의 변환 응답을 나타내는 그래프를 제공한다.
- 도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서의 측면도를 제공한다;
- 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서의 평면도를 제공한다;
- 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서의 하나 또는 2개의 쇼트키 계면(들)을 형성하는 맞물린 전극들(IDE)의 개략도를 제공한다;
- 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서의 하나 또는 2개의 쇼트키 다이오드의 절단도를 제공한다;
- 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서의 쇼트키 장벽 ΦB를 갖는 대역 구조의 예시를 제공한다;
- 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 측정 프로세스의 다이어그램 블록을 제공한다;
- 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 센서를 제작하기 위한 방법의 다이어그램 블록을 제공한다;
- 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 센서를 제작하기 위한 방법의 상세한 다이어그램 블록을 제공한다;
- 도 9a, 도 9b 및 도 9c는, 센서에 대한 상이한 온도에서의 원자 층 퇴적(ALD)에 의해 퇴적된 및/또는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방법에 의한 산화아연 층들의 주사 전자 현미경(SEM) 평면도 이미지들을 제공한다;
- 도 10은 센서에 대한 상이한 온도에서 성장된 및/또는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방법에 의한 ZnO 필름의 회절 패턴들을 제공한다;
- 도 11은 센서에 대해 ALD에 의해 퇴적된 및/또는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방법에 의한 ZnO 박막의 XPS 분석 스펙트럼을 제공한다;
- 도 12는 센서에 대한 성장 온도에 의존하는 및/또는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방법의 의한 O:Zn 원자비의 전개를 나타내는 그래프를 제공한다;
- 도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서에 대한 상이한 퇴적 온도들에 대해 ALD에 의해 성장된 ZnO 박막들의 저항을 나타내는 그래프를 제공한다;
- 도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 입력 바이어스의 상이한 바이어스 전압들 및 상이한 신호 주파수들에서의 센서에 대한 게이지 계수를 나타내는 그래프를 제공한다;
- 도 15는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 I(V) 전류-대-바이어스 전압 곡선들에 의한 피에조트로닉 변형 마이크로센서의 변환 응답을 나타내는 그래프를 제공한다.
본 섹션은 바람직한 실시예들 및 도면들에 기초하여 더 상세히 본 발명을 더 상세히 설명한다.
유사한 참조 번호들은 본 발명의 상이한 실시예들 전반에 걸쳐 유사하거나 동일한 개념을 설명하기 위해 이용될 것이다.
본 명세서에서 설명된 특정한 실시예에 대해 설명된 피처들은, 명시적으로 반대되는 언급되지 않는 한, 다른 실시예들의 피처들과 결합될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 본 기술 분야에서 흔하게 알려진 피처들은 본 발명 특유의 피처들에 초점을 맞추기 위해 명시적으로 언급되지 않을 것이다. 예를 들어, 본 발명에 따른 센서는 분명히 전원에 의해 전력을 공급받지만, 이러한 전원은 도면들에서도 설명에서도 명시적으로 언급되지 않는다.
현재의 설명에서, 층은, 예를 들어 센서 내의 레벨 또는 계층으로서 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서(2)를 도시한다.
센서(2)는 칩 몸체(4)로부터 돌출되는 적어도 하나의 캔틸레버(6)를 갖는 칩 몸체(4)(부분적으로 표현됨)를 포함한다. 캔틸레버(6)는 몸체로부터 돌출된 아암 또는 부재를 형성한다. 이것은 칩 몸체(4)보다 얇기 때문에 더 탄력적이다. 캔틸레버(6)는, 칩 몸체(4)의 반대편에 있는 자유 또는 원위 말단(6F), 및 클램핑된 말단(6C)으로서 역시 표기되어 있는 접속 또는 근위 말단을 포함한다. 클램핑된 말단(6C)은 칩 몸체(4)와의 계면에 있다.
임의적 팁(8)은 캔틸레버(6)의 하위 면으로부터 돌출된다. 감지 피크(8) 또는 바늘로서 역시 표기된 팁(8)은, 조사 중인 제공된 샘플(10)(점선으로 표시됨)을 감지하도록 적합화된다. 몸체(4)는 SU8 중합체 등의 중합체를 포함할 수 있다. 몸체(4), 캔틸레버(6), 및 팁(8)은, 바람직하게는, 단일 부품으로서 일체로 형성되고, SU8 에폭시로 제작된다. 투명 중합체가 이용될 수 있다. 따라서, 캔틸레버(6)를 통해 샘플의 이미지 데이터를 취득하는 것이 가능해진다.
센서(2)는 하나의 변형 게이지(12)와 연관된 적어도 하나의 접촉 전극(11)을 포함한다. 변형 게이지(12)는, 적어도 부분적으로, 캔틸레버, 부재 또는 아암(6)에서 연장된다. 측정 동작들 동안, 캔틸레버(6)가 진동함으로써, 변형 게이지(12)를 변형시킨다. 변형 게이지(12)의 전기적 속성들은 변형들에 따라 달라짐으로써, 예를 들어 원자력 현미경(AFM)에 따라 프로브된 표면을 관찰하는 것을 허용한다.
예시로서, 센서(2)는, 2개의 캔틸레버들(6), 바람직하게는 유사하거나 동일한 캔틸레버들(6)을 포함한다. 각각의 캔틸레버는, 연관된 접촉 전극(11)에 전기적으로 접속된 변형 게이지(12)를 포함한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서(2)의 평면도를 도시한다. 센서(2)는 도 1과 관련하여 설명된 것과 유사하거나 동일할 수 있다. 센서(2)는, 본체(4), 2개의 캔틸레버(6), 및 캔틸레버들(6) 중 하나에 있는 감지 피크(8)를 포함한다. 감지 피크(8)는 연관된 변형 게이지(12A)로부터 특히 길이방향으로 떨어져 있을 수 있다. 각각의 캔틸레버(6)는 변형 게이지(12)와 연관된다. 바람직하게는, 각각의 캔틸레버(6)는 별개의 변형 게이지(12)와 연관된다. 변형 게이지들은, 도 2의 상단 부분에 예시된 감지 변형 게이지(12A); 및 도면의 하단 부분에 예시된 기준 변형 게이지(12B)를 포함하지만, 본 발명은 이러한 특정한 배열로 제한되지 않는다.
한 쌍의 변형 게이지들(12A, 12B)로 인해, 차분적 측정(differential measuring)이 가능하다. 캔틸레버들(6) 중 하나는 샘플(10)과 협력하고, 2개의 캔틸레버 중 다른 하나는 샘플(10)에서 떨어져 있다. 그 다음, 감지 변형 게이지(12A)는 감지 데이터를 제공하고 기준 변형 게이지(12B)는 감지 상태들에 관한 데이터를 제공한다. 노이즈 및 드리프트 데이터가 추론됨으로써, 획득된 속성들의 정확도 및 신호 대 잡음비(SNR)를 향상시킬 수 있다.
변형 게이지들(12)은, 전극들(14), 특히 금속 전극들(14)을 포함한다. 전극들(14) 중 하나는 양쪽 변형 게이지들(12)을 접속할 수 있다. 각각의 변형 게이지(12)는, 연관된 캔틸레버(6)에서 연장되는 감지 부분 또는 활성 영역을 포함할 수 있다.
캔틸레버들(6)은 마이크로스케일 캔틸레버들(6)일 수 있다. 각각의 캔틸레버(6)는 최대 500 μm, 바람직하게는 200 μm의 길이 LC를 포함할 수 있다. 각각의 캔틸레버(6)는 최대 200 μm, 바람직하게는 120 μm의 폭 CW를 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서용 변형 게이지(12)의 개략도를 제공한다. 센서는 도 1 및/또는 2와 관련하여 설명된 것들과 유사하거나 동일할 수 있다. 명확성을 위해 몸체와 캔틸레버는 생략되었다.
금속 전극(14)은 맞물린 전극(IDE) 패턴(16)을 정의한다. 각각의 금속 전극(14)은 다른 금속 전극(14) 세트의 핑거들(18) 사이에서 연장되는 한 세트의 평행한 핑거들(18)을 포함한다. 이 배열은, 하나만이 아니라, 병렬의 여러 백-투-백 쇼트키 접합들의 등가 모델을 설정하는 것을 허용한다. 이것은 동일한 기계적 변형 신호의 영향을 받는 많은 백-투-백 쇼트키 다이오드 전류를 합산함으로써 센서들의 변형 감도를 향상시킨다. 단지 예시로서, 본 발명을 이러한 핑거 수로 제한하지 않고, 각각의 세트는 16개의 핑거(18)를 포함한다. 핑거 세트들은 서로 섞여 인터리빙 패턴(interleaving pattern)을 형성한다. 세트들은 서로 내로 확장된다. 핑거들(18)은 금속 스트립들 또는 금속 트랙들을 형성한다. 전극들(14)은 빗살들을 형성할 수 있다. 금속 전극들(14)은 분리된다. 분리부(20)는 핑거들 사이에서 연장된다. 분리부(20)는 구불구불한 경로를 형성한다. 분리부(20)는 인접한 핑거들(18) 사이의 계면(22)을 형성한다. 분리부(20)는 인접한 핑거들(18) 사이에서 측정될 때 최대 5 μm의 폭을 나타낼 수 있다.
금속 전극(14)은 금속 층을 정의할 수 있다. 금속 전극들(14)은, 백금(Pt) 또는 백금 합금 등의, 높은 일함수 금속을 포함할 수 있다. 적어도 하나 또는 각각의 금속 전극(14)은, 적어도: 5.00 eV; 또는 5.20 eV; 또는 5.50 eV 또는 5.70 eV의 일함수를 포함할 수 있다.
대안으로서 또는 추가로, 금속 전극들(14)은, 금, 은, 팔라듐 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 금속 전극들(14)은 상이한 재료들 또는 합금들을 포함할 수 있다. 제1 전극은 제1 금속을 포함할 수 있고, 제2 전극은 제2 금속을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 전극들은 상기 재료 목록으로부터 선택된 상이한 금속들을 포함할 수 있다.
변형 게이지(12)는 활성 층(24)을 포함할 수 있다. 활성 층(24)은 분리부(20)를 채울 수 있다. 이것은 계면(22)을 채울 수 있다. 활성 층(24)은 금속 전극들(14)을 덮을 수 있다. 이것은 금속 전극들 상에 코팅을 형성할 수 있다. 활성 층(24)은 전극들(14) 너머에 걸쳐 있을 수 있다. 활성 층은 전극들(14)보다 두꺼울 수 있다. 금속 전극들(14)은 활성 층(24)에 내장될 수 있다. 따라서, 활성 층(24)은 대응하는 캔틸레버에 및 몸체에 둘러싸여 있다. 이것은 투명한 중합체를 통해 관찰될 수 있다.
예시로서, 활성 층(24)은 최대 100 μm, 바람직하게는 80 μm의 폭(WAL)을 포함한다. 활성 층(24)은 최대 500 μm, 바람직하게는 310 μm의 길이(LAL)를 포함할 수 있다. 변형 센서(12)가 구부러지면, 활성 층(24)은 핑거들(18) 사이에서 응력을 받는다. 이것은 캔틸레버의 곡률에 따라 압축 응력 또는 인장 응력을 겪을 수 있다.
활성 층(24)은 압전 재료를 포함한다. 압전 재료는 바람직하게는 압전 반도체이다. 활성 층(24)은 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 활성 층(24)은, 섬유아연석 결정 구조 등의, 육방정계 결정 구조(hexagonal crystalline structure)를 포함할 수 있다.
활성 층(24)은, 산화아연(ZnO), 예를 들어 마그네슘 도핑된 산화아연(MgZnO)을 포함할 수 있다. 활성 층(24)은, (002) 섬유아연석 결정 구조를 갖는 산화아연(ZnO)을 포함할 수 있다.
한 대안으로서, 활성 층(24)은 다음과 같은 재료들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다: 질화갈륨(GaN); 카드뮴 황화물(CdS); 질화인듐(InN), 스칸듐 도핑된 질화알루미늄(Sc-AlN); 및 이들의 조합들.
더 일반적으로, 활성 층은 피에조트로닉 재료(piezotronic material)를 포함할 수 있다.
활성 층(24)은 적어도 부분적으로 몸체를 형성하는 중합체 층 상에 원자 층 퇴적(ALD)에 의해 형성될 수 있다. 원자 층 퇴적(ALD) 기술은 활성 층(24)의 균일성을 향상시킨다. 이것은 또한 활성 층(24) 및 금속 전극들(14)을 수용하는 중합체 층을 보존한다. ALD 피처는 현미경 관찰에 의해 검출될 수 있다.
금속 전극들(14)과 활성 층(24)은 쇼트키 계면들을 정의한다. 쇼트키 계면들은 맞물린 핑거들(18) 사이의 계면(22)을 따라 연장될 수 있다. 더 일반적으로, 이들은 쇼트키 피처를 정의한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서를 위한 활성 층(24)에 포팅되거나(potted) 포함된 2개의 금속 전극(14)을 도시한다. 센서는, 도 1 내지 도 3 중 어느 하나 및 이들의 조합들과 관련하여 설명된 것들과 유사하거나 동일할 수 있다.
금속 전극들(14) 및 활성 층(24)은, 중합체 층(26), 특히 하위 층(26) 또는 제1 중합체 층에 의해 지지된다. 또한, 상단 층(27)은 활성 층(24) 상에 제공된다. 상단 층(27)은 활성 층을 덮는 제2 중합체 층(27)일 수 있다. 상단 중합체 층(27)은 패시베이션 층으로도 지칭되는 보호 층일 수 있다. 활성 층(24)은 층들(26, 27) 사이에 캡슐화될 수 있다. 활성 층(24)은 내부에 중첩된 서로 맞물린 금속 전극들(14)을 덮는다. 옵션으로서, 이들은 각각 백금(Pt)과 산화아연(ZnO)을 포함한다.
2개의 금속 전극(14)과 그 사이의 활성 층(24)의 부분은, 적어도 하나의 쇼트키 다이오드(28), 특히 2개의 백-투-백 쇼트키 다이오드(28)를 정의한다. 2개의 쇼트키 접합(30) 각각은 2개의 금속 전극(14) 중 하나와 연관된다. 접합들(30)은 금속 전극들(14)의 경사진 엣지들에 의해 형성될 수 있다. 따라서, 재료 연속성이 향상된다.
활성 층(24)은 금속 전극들(14)보다 두껍다. 금속 전극들(14)은, 활성 층(24)보다 적어도 2배, 바람직하게는 활성 층(24)보다 적어도 3배 얇다. 활성 층(24)은 다음과 같은 범위의 두께를 포함할 수 있다: 50 나노미터(nm) 내지 500 나노미터, 바람직하게는 200 nm 내지 400 nm. 활성 층(24)은 300 nm의 두께를 포함할 수 있다. 금속 전극(14)은 100 nm 내지 200 nm 범위의 두께를 포함한다.
대안으로서, 활성 층은 전극 층보다 얇다. 그 다음, 전극들은 활성 층보다 높다. 활성 층은 전극들 위에 돌출되어 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서에 대한 쇼트키 접합(30)을 도시한다. 대역 구조 다이어그램은 아래에 중첩되어 표시된다. 센서는, 도 1 내지 도 4 중 어느 하나 및 이들의 조합들과 관련하여 설명된 것들과 유사하거나 동일할 수 있다.
센서(2)는 활성 층(24)에 인접한 금속 전극(14)을 나타낸다. 활성 층(24)과 금속 전극(14)은 물리적으로 접촉한다. 이들은 쇼트키 다이오드(28)의 한 말단에서 명백한 쇼트키 접합(30)에서 쇼트키 접촉을 형성한다.
쇼트키 접합(30)은 명백한 쇼트키 장벽 ΦB(32), 바람직하게는 정류 쇼트키 장벽을 형성하도록 구성된다. 이 결과는 전극(14)에서의 높은 일함수 금속과 압전 반도체를 이용함으로써 획득된다. 백금과 산화아연의 조합은 변형 게이지에 대한 흥미로운 접촉 계면을 제공한다.
대역 다이어그램은 n형 반도체 쇼트키 장벽 ΦB(32)에 대응할 수 있다. 파라미터들 Evm, Ef, EC 및 Eve는, 진공 준위, 금속 전극(14)의 페르미(Fermi) 준위, 활성 층(24)의 압전 반도체 재료의 전도 대역, 및 반도체의 가전 대역에 각각 대응한다.
순방향 바이어스 V에서 금속/반도체 접합을 통해 흐르는 전류 밀도 JnO는 다음과 같이 쓸 수 있다:
여기서, 
과 
은, 각각, 압전 분극 전하들이 없을 때의 전류 밀도와 쇼트키 장벽 높이, 
는 리차드슨(Richardson) 상수, 
는 기본 전하, 
는 온도, 
는 볼츠만(Boltzmann) 상수, 
는 반도체의 직렬 저항, 및 
는 다이오드의 이상적인 계수이다. 
라는 용어는 지수 함수에 대응한다.
변형 하에서, 금속/반도체 계면에서 생성된 압전 전하 밀도 
는 쇼트키 장벽 높이의 높이 
뿐만 아니라 폭 
도 다음과 같이 변경한다: 
, 여기서, 
는 반도체의 유전 상수이다.
따라서, 압전 분극 전하들이 존재할 때 접합을 통해 흐르는 전류 밀도 
은 다음과 같이 쓸 수 있다:
이것은, 금속/반도체 접점을 통해 수송되는 전류는 로컬 압전 전하들의 지수 함수라는 것을 의미하며 그 부호는 변형 
에 의존하고, 여기서:
이것은 최종적으로 다음과 같은 방정식이 된다:
따라서, 금속-반도체 접합을 통해 수송되는 전류는 변형의 크기뿐만 아니라 변형의 부호(인장 대 압축)에 의해 효과적으로 조정되거나 제어될 수 있다. 이것이 피에조트로닉 접합의 근거이다. 기계적 변형 감지를 위해 주로 연구된 피에조트로닉 재료 시스템들은 산화아연(ZnO) 반도체로 구성된다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 센서를 이용한 측정 프로세스의 주요 단계들을 나타내는 블록도를 도시한다. 센서는, 도 1 내지 도 5 중 어느 하나 및 이들의 조합들과 관련하여 설명된 것들과 유사하거나 동일할 수 있다.
측정 프로세스는 다음과 같은 단계들을 포함한다:
표면을 갖는 샘플을 제공하는 단계(100),
변형 게이지를 변형시키는 단계(102);
특히, 도 2와 관련하여 정의된 바와 같이 센서 데이터 프로브(12A)와 기준 프로브(12B) 사이의 차분적 측정에 의해, 센서에 의해 프로브된 샘플 표면에 관한 데이터를 측정하는 단계(104);
카메라 등의 시각 수단에 의해 프로브된 샘플 표면의 이미지 데이터를 취득하는 단계(106);
예를 들어, 데이터 프로세서를 포함하는 데이터 처리 수단을 이용하여 센서로부터 데이터를 계산하는 단계(108);
센서로부터의 데이터를 메모리 요소에 저장하는 단계(110).
단계들 106 내지 110은 본 발명의 범위에서 순전히 임의적이다.
측정 단계(104)에서, 10V 바이어스 전위가 전극들 사이에 인가된다.
옵션 또는 대안으로서, 측정 프로세스는 변형 감지 프로세스 또는 응력 감지 프로세스이다. 또한, 측정 프로세스는, 변형 센서 또는 샘플 표면 중 어느 하나의 X 및 Y에서의 제어된 측방향 스캐닝을 이용하는 원자력 현미경(AFM) 프로세스에 통합될 수 있다.
측정 단계(104) 동안, 변형 게이지는 최대 50 μW의 전력 소비를 포함할 수 있다.
취득 단계(110)에서, 이미지 데이터는 투명 캔틸레버를 통해 프로브된 샘플 표면의 이미지들을 포함한다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따라 센서를 제작하는 방법의 주요 단계들을 나타내는 블록도를 도시한다. 센서는, 도 1 내지 도 5 중 어느 하나 및 이들의 조합들과 관련하여 설명된 것들과 유사하거나 동일할 수 있다.
프로세스는 다음과 같은 단계들을 포함하며, 특히 다음과 같이 실행된다:
중합체 층을 형성하는 단계(220),
중합체 층 상에 적어도 하나의 금속 전극을 성장시키는 단계(240),
중합체 층 상에, 원자 층 퇴적(ALD)에 의해 활성 층을 성장시키는 단계(260).
원자 층 퇴적(ALD)은 얇은 활성 층을 제공한다. 또한, 활성 층은 균질하다. 접합의 쇼트키 거동은 잘 알려져 있다.
센서를 제작하는 본 방법은 변형 게이지를 제작하는 방법일 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따라 센서를 제작하는 방법의 주요 단계들을 나타내는 블록도를 도시한다. 센서는, 도 1 내지 도 5 중 어느 하나 및 이들의 조합들과 관련하여 설명된 것들과 유사하거나 동일할 수 있다. 이 방법은 도 7과 관련하여 상세히 설명된 방법과 유사할 수 있다.
프로세스는 다음과 같은 단계들을 포함하며, 특히 다음과 같이 실행된다:
기판을 제공하는 단계(200);
기판의 산화(202);
특히 기판 상에 중합체 층을 형성하는 단계(220);
중합체 층 상에 적어도 하나의 금속 전극을 성장시키는 단계(240);
중합체 층 상에 원자 층 퇴적(ALD)에 의해 활성 층을 성장시키는 단계(260);
적어도 하나의 캔틸레버, 바람직하게는 적어도 2개의 캔틸레버를 형성하는 단계(280);
기판으로부터 센서를 릴리스하는 단계(290).
기판을 제공하는 단계(200)에서, 기판은 희생 층이라고도 지칭되는 희생 기판일 수 있다. 전체 센서 구조는 직경이 적어도 2인치인 실리콘 웨이퍼 상에 구축된 다음, 희생 층의 에칭을 통해 릴리스될 수 있다. 희생 층은, 10 nm 두께의 티타늄 접착 층을 갖는 2 μm 두께의 스퍼터링된 구리 층을 포함할 수 있다.
선택된 재료는 구조물 릴리스 단계를 위해 에칭하기 쉽지만 상이한 제작 단계들 동안 관련된 화학물질들에 대해 불활성이어야 한다. 이것은 또한, 백금 및 SU8 포토레지스트 등의 다른 재료들과 관련하여 접착 임계값을 나타내어야 한다. 금, 알루미늄 및 구리 등의 상이한 재료들과 두께들이 고려된다. TetraMethylAmmonium Hydroxide(TMAH)에 기초한 리소그래피 현상액은 알루미늄을 에칭한다. 두꺼운 SU8 층들은 금에 대한 매우 열악한 접착력을 가져서, SU8 200 μm 현상 동안에 박리로 이어진다. 마지막으로, 2 μm의 구리 희생 층이 최상의 절충안인 것으로 발견되었다.
대안으로서 또는 옵션으로서, 기판에는 감지 피크가 제공될 수 있다.
수정된 프로세스에서의 제1 대안적 단계로서, 실리콘 웨이퍼(100)가 KOH에 의해 선택적으로서 에칭되어 본 기술분야의 통상의 기술자에게 널리 알려진 바와 같이 111 면들을 갖는 피라미드형 중공(pyramidal hollow)들을 획득한다. 그 다음, 단계 200에서 정의된 바와 같이 10 nm 두께의 티타늄 접착 층을 갖는 2 μm 두께의 스퍼터링된 구리로 이루어진 희생 층.
제2 대안적 단계로서, 상단 SU8 팁 정점을 개선하는 산화 샤프닝(oxidation sharpening)의 이점과 함께 구리 산화가 단계 202에서와 같이 실행된다.
그 다음, SU8 3005 또는 SU8 3010 스핀 코팅에 의해 SU8 팁을 성형하기 위한 다음 대안적 단계들이 수행되고, 이어서 본 기술분야의 통상의 기술자에게 널리 알려진 패턴화의 표준 단계들(사전 베이킹 → UV 노출 → 사후 베이킹 → 현상)가 이어진다. 따라서, 팁 패턴화된 영역만 표면 상에 남는다. 표면 상에 남아있는 메사의 SU8 두께에 따라, 유리하게도 반응성 이온 에칭(RIE)에 의한 후처리가 O2:CF4(95:5 비율)의 가스 혼합을 갖는 80 milliTorr의 압력, 100 와트의 전력으로 추가되어, 10초 내지 5분 동안 SU8 메사의 상위 부분을 에칭한다. 따라서, 표면에서 내장된 SU8 팁이 획득된다.
다음 제3의 대안적 단계는, 중합체 층을 형성하는 단계(220)에서 도 8과 관련하여 설명된 방법에서 설명된 바와 같이 SU8 캡슐화 층의 퇴적을 포함한다.
산화 단계(202)에서, 희생 층의 표면은 40초 동안 200 ℃의 핫플레이트(hotplate) 상에서 산화된다. SU8 10 μm 및 SU8 200 μm를 포함하는 스택(stack)은, SU8 200 μm의 현상 단계 내에서, SU8 현상액에서의 장기간 침지 동안 구리 희생 층으로부터 박리되는 경향이 있다. 구리에 대한 SU8의 접착력은 구리 표면의 부드러운 산화에 의해 증가될 수 있다.
산화를 통해 Cu에 대한 SU8 접착력 향상의 이점은, Cu 산화물 상의 Pt 열악한 접착력으로 인한 결손과 연관된다. 이 문제는, Pt 증발 직전에 1분 동안 10% 아세트산으로 구리 산화물을 에칭함으로써 해결된다. 단계 2에서의 구리 산화 지속시간은 40초로 고정되어 산화물 두께를 최소로 제한한 다음, SU8 300nm 캡슐화 층과 희생 층 사이의 스텝 높이를 증가시킨다. 너무 높거나 너무 중요한 스텝은 Pt 접촉의 비연속성을 초래할 수 있다.
중합체 층을 형성하는 단계(220)에서, ZnO 패시베이션 층으로 작용할 제1 SU8 300nm 얇은 층이 패턴화된다. SU8 2000.5 포토레지스트는, 30초 동안 4000 rpms/s의 가속과 함께 10000 rpms의 속도에서 스핀 코팅되어, 390 nm 두께의 층으로 이어진다. 그 다음, 레지스트는 350 ℃/h 램핑으로 50 ℃에서 95 ℃까지 핫플레이트 상에서 사전 베이킹된다. 이것은 핫플레이트로부터 제거되기 전에 95 ℃에서 1분간 방치된다. 노광은, 2800 mJ/cm²의 선량과 광 디포커싱 -12의 직접 레이저 리소그래피(Heidelberg MLA 150™, 레이저 파장 λ = 375 nm)에 의해 수행된다. 노광 후 베이킹은 50 ℃ 내지 95 ℃(350 ℃/h 램핑)에서 수행되고 핫플레이트에서 제거되기 전에 1분 동안 95 ℃에서 방치된다. 현상은 이소프로판올에서 30초 동안 헹구기 전에 10초 동안 SU8 현상액에서 이루어진다. 최종 하드베이킹은 15분 동안 150 ℃의 핫플레이트에서 수행된다. 마지막 플라즈마 에칭 단계(Ar:O2)를 이용하여 두께를 300 nm로 감소시킨다.
금속 전극을 성장시키는 예시된 단계(240)는 디포커싱을 갖는 레이저 리소그래피에 의한 포토레지스트 패턴화하는(242) 하위단계를 포함한다. 디포커싱은 바람직하게는 네거티브 디포커싱이다. 디포커싱은 금속 전극들 상에서의 기울어진 엣지들의 형성을 허용한다. 전극들은 사다리꼴 단면을 나타낼 수 있다. 따라서, 전기적 연속성을 제공하는 것이 더 쉽다. 예시로서, 네거티브 디포커싱은 적어도: -8, 또는 -10, 또는 -12, 또는 -15이다.
Pt 전극들, 또는 다른 금속들로 이루어진 전극들은, 포토레지스트 스핀 코팅, 직접 레이저 기록 포토리소그래피, 금속 퇴적 및 리프트-오프 프로세스에 의해 패턴화된다. 감광성 레지스트들의 이중층이 기판 상에 스핀코팅된다. 첫 번째 포토레지스트 층은 MicroChem™의 LOR 3A의 350 nm 두께 층이다. 스핀 코팅은 30초 동안 4000 rpms/s 가속으로 6000 rpms에서 이루어진다. 사전베이킹은 115 ℃의 핫플레이트에서 5분 동안 수행된다. 두 번째 포토레지스트 층은 Microposit S1813™의 1.3 μm 두께 층이다. 스핀 코팅은 60초 동안 6000 rpms/s 가속으로 4000 rpms에서 수행된다. 사전베이킹은 1분 동안 115 ℃의 핫플레이트에서 완료된다. 패턴들은, 91 mJ/cm²의 선량과 광 디포커싱 -3을 이용하여 직접 레이저 기록 포토리소그래피(Heidelberg MLA150™, 레이저 파장 λ = 375 nm)에 의해 정의된다. 패턴들은 40초 동안 Microposit MF319™ 현상액에 노출 후 현상되고 60초 동안 탈이온수로 헹구어진다.
금속 전극을 성장시키는 단계(240)는 에칭하는(244) 하위단계를 포함할 수 있다. 에칭하는(244) 하위단계는, 기판의 산화 단계(202) 동안 형성된 산화 층을 제거하기 위한 것이다. 예를 들어, 에칭의 하위단계(244)는 구리 산화 필름을 제거할 수 있다. 예시로서, 산화구리는 10% 아세트산에서 1분 동안 국부적으로 에칭된다.
금속 전극을 성장시키는 단계(240)는, 금속 전극, 특히 각각의 금속 전극을 형성하거나(246) 또는 그 퇴적의 하위단계를 포함할 수 있다. Ti5nm/Pt100nm 층들은, 전자빔 증발 또는 PVD 스퍼터링에 의해, 패턴화된 포토레지스트의 상단에 성장된다. PVD 스퍼터링, 또는 스퍼터링에 의한 물리적 증기 퇴적은 그 자체로 잘 알려진 기술이므로 더 이상 상세히 설명하지 않는다.
이 방법의 매우 중요한 점은, SU8 캡슐화 층 상의 감지 맞물린 전극들과 구리 희생 층 상의 큰 경계 패드들 사이에서 퇴적된 백금 연속성을 유지하는 것이다. 이것은 계단형 전극의 전기적 연속성을 유지하기 위해 필수적이다. 곤란한 점은 SU8 캡슐화 층 엣지에서 300 nm의 급격한 스텝으로부터 발생한다. 마스크없는 정렬자 능력들을 활용하여 레이저 초점을 레지스트 표면에서 수 미크론만큼 이동시킴으로써 이 문제가 해결되었다. 레이저 탈초점은 덜 정의된 패턴 엣지들로 이어진다. MLA 150 레이저 리소그래피 디포커싱 능력의 이러한 우회된 이용은, 백금 연속성을 선호하는 높은 포지티브 슬로프들(사다리꼴 형상)을 갖는 레지스트 엣지들을 획득될 수 있게 한다.
금속 전극을 성장시키는 단계(240)는, 하위단계 포토레지스트 패턴화(242)에서 형성된 마스크를 제거하기 위해 하위단계 리프트-오프(248)를 포함할 수 있다. 비제한적인 방식으로, 단계 리프트-오프(248)는 웨이퍼를 MicroChem™의 Remover PG 용매 조에 30분 동안 침지함으로써 실행된다. 그 다음, 이것은 Remover PG, 아세톤 및 이소프로판올로 헹구어진다.
활성 층을 성장시키는 단계(260)는, 패시베이션 층, 예를 들어 패시베이션 층을 형성하는(262) 하위단계를 포함하여, 다음 단계들 동안 구리 화학적 에칭을 회피한다. 구리 희생 층은 포토레지스트로 패시베이션되어 ZnO의 에칭 동안에 에칭되는 것을 방지한다. S1813 층은 기판 상에 스핀 코팅되고 100 mJ/cm²의 선량을 이용하여 직접 레이저 기록 포토리소그래피(Heidelberg MLA150™, 레이저 파장 λ = 375 nm)에 의해 패턴화된다. 패턴들은 60초 동안 Microposit MF319™ 현상액에 노출 후 현상되고 60초 동안 탈이온수로 헹구어진다.
활성 층을 성장시키는 단계(260)는 활성 층을 형성하는 단계일 수 있다. 활성 층을 성장시키는 단계(260)는 활성 층을 퇴적(264)하는 하위단계를 포함할 수 있다. 연산소(soft oxygen)/아르곤 플라즈마 전처리가 20초 동안 수행되어 전극 표면으로부터 유기 잔류물들을 제거한다. 이 단계는, 적절한 쇼트키 계면들을 획득하는데 중요한, 우수한 ZnO/Pt 및 ZnO/SU8 계면 품질을 보장하는데 이용된다. ZnO의 300 nm 층은, 전체 기판 표면 상에서 원자 층 퇴적(ALD)에 의해 성장된다. 60 ℃로부터 100 ℃까지의 성장 온도들이 고정제(fixing agent) 없이 이용된다.
ALD 기술은 기판 상에 박막들을 퇴적하기 위한 표면 반응들에 기초하므로, 이 기판을 변경하는 것이 주요 과제이다. 중요한 기술적 요건은, 기판의 열화를 피하기 위해, ALD 프로세스의 퇴적 온도와 관련되어 있다. 가교(cross-linking) 후 SU8의 유리 전이 온도는 200 ℃ 부근에 위치하므로, 후속 ALD 프로세스들은 리플로우 현상을 방지하기 위해 이 온도 아래에서 수행되어야 한다. 추가로, ZnO의 퇴적 전에, 연산소/아르곤 플라즈마로 구성된 플라즈마 전처리가 SU8 표면 상에 적용되었다. 이 전처리의 목적은 표면 산화를 유도함으로써 습윤성을 증가시키는 것이다. 플라즈마 내에 포함된 적은 양의 산소는 의미 있는 에칭 효과를 가지며 화학적 상단 부분들이 중합체 기판 상에서 변경된다.
예를 들어, 퇴적(264)의 하위단계 동안, 활성 층을 성장시키는 단계(260)는 분자 산소 가스 펄싱의 하위단계를 포함한다. 분자 산소 가스 펄싱의 하위단계 또는 프로세스는 1초 내지 5초 범위의 시간 길이를 포함한다.
ALD에 의해 형성되는 압전 반도체성의 얇은 층은, 다이오드 접합의 직렬 저항뿐만 아니라 자유 캐리어들의 이동도와 밀도, 결정 구조와 Zn:O 화학양론 사이의 상호작용에 의한 재료 내부의 저향률을 변조시키는 중요한 스테이지를 나타낸다.
중합체 표면 상단에서의 주어진 성장 온도에 대해, 우리는 이들 전자 파라미터들을 제어하기 위해 ALD 처리 사이클에서 분자 산소 가스 펄싱의 이용을 도입했다.
이 프로세스의 바람직한 실시예에 따르면, 퇴적 사이클은, 불활성 퍼징 가스로서 아르곤을 이용하면서, 디에틸아연(DEZ) 펄스에 이어 탈이온수의 펄스를 포함한다. 이 섹션에서 제시된 프로세스의 변형은 DEZ와 탈이온수 펄스들 사이에 분자 산소 가스 펄스를 도입하는 것을 포함한다. ALD 반응기 내부의 임의의 잠재적 기생 CVD 반응을 피하기 위해 분자 산소 가스 펄스의 퍼징 시간은 20초로 설정된다. 이용되는 분자 산소 가스의 순도에 특별한 주의를 기울였다. 전체 순도 ≥ 99.9995 % mol 및 H2O ≤ 0,5 ppm.mol의 Alphagaz 2 Oxygen이 이용되었다. 산소 가스 운반 라인은 습기 오염물과 DEZ 사이의 임의의 원치 않는 반응을 피하기 위해 카트리지로 필터링되었다.
ALD 프로세스 내의 분자 산소의 통합은, 100 ℃ 이상의 온도에서 미세한 기둥형 결정들을 가진 바람직한 (002) 결정 배향으로 이어진다. (100), (002) 및 (101) 결정 배향들 사이에서 공유되는 결정립 배향들의 상이한 분포가 관찰될 수 있는 100 ℃ 미만에서 전이가 발생한다. 이것은, 기판에 평행한 쐐기형 결정체들 및 기판에 수직인 미세한 기둥형 결정체들의 분포를 보여주는 SEM 평면도 이미지들에 의해 추가로 확인된다.
산소 가스로 퇴적된 ZnO 박막들에 대한 저항률의 상당한 증가에 주목할 수 있는데, 이것은 산소 결손들의 농도 감소에 기인한 것이다. 이것은, 산소 가스를 이용하여 퇴적된 ZnO 박막의 O:Zn 비율이 산소 가스를 이용하지 않고 퇴적된 ZnO 박막의 O:Zn 비율보다 우수하다는 사실에 의해 추가로 확인된다. 이러한 저항률의 증가는 유리하게도 이 세라믹 박막의 압전 효율을 증가시킴으로써 누설 전류들을 감소시킨다.
피에조트로닉 변형 센서 등의 압전 기반의 응용들과 관련하여, ZnO 박막들은 최고의 출력 전압들을 보장하기 위해 높은 저항률 또는 낮은 누설 전류와 함께 바람직한 (002) 결정 배향을 제시할 것이 요구된다. 따라서, 이 ALD 프로세스는, 100 ℃ 초과의 온도들에서 압전 응용들에 적합한 속성들을 가진, 분자 산소 가스를 통합함으로써 퇴적된 ZnO 박막들의 구조적 및 전기적 특성들을 튜닝하는 것을 허용한다.
산소 가스로 퇴적된 ZnO는 급격한 열가소성 변형에 더 민감한 것으로 밝혀졌다. 이 현상은 기판에 수직인 명확하게 정의된 기둥형 결정체 구조에 의해 설명될 수 있다. 이것은 원칙적으로, 상이한 열 팽창 계수들을 갖는 재료들이 수반되는, 프로세스 동안의 베이킹 동작들에 의해 유발된다.
활성 층을 성장시키는 단계(260)는 활성 층 상에 마스크를 형성하는(266) 하위단계를 포함할 수 있다.
ZnO 마이크로패드들은 레지스트 마스크를 통한 화학적 습식 에칭에 의해 정의된다. 레지스트 마스크는, 100 mJ/cm²의 선량을 이용한 직접 레이저 기록 포토리소그래피(Heidelberg MLA150™, 레이저 파장 λ = 375 nm)에 의해 패턴화된, 스핀코팅된 1.3 μm S1813 포토레지스트 층을 포함한다. 패턴들은 60초 동안 Microposit MF319™ 현상액에 노출 후 현상되고 60초 동안 탈이온수로 헹구어진다.
활성 층을 성장시키는 단계(260)는, 예를 들어 활성 층 상의 마스크로부터 멀리, 활성 층을 에칭하는(268) 하위단계를 포함한다. 활성 층은, 금속 전극들 사이에, 아마도 금속 전극들 상에 유지된다. 그 다음, 전극과 접촉하여 활성 패드가 제공된다. ZnO 에칭은 FeCl3:H2O 740 mMol 용액으로 2분 동안 수행된다. 에칭 마스크는 16 μm 측방향 등방성 에칭을 보상하기 위해 확대된다.
활성 층을 성장시키는 단계(260)는 269개의 마스크를 제거하는 하위단계를 포함한다. 레지스트 마스크들은 아세톤으로 에칭한 후 제거된다.
적어도 하나의 캔틸레버, 부재 또는 아암을 형성하는 단계(280)는, 활성 층의 두께에 중합체 층의 두께를 더한 것과 동일한 두께를 갖는 하위 중합체 필름을 형성하는 제1 하위단계; 및 하위 중합체 필름 상에 및 활성 층 상에 상위 중합체 필름을 형성하는 제2 하위단계를 포함한다. 상위 중합체 필름을 형성하는 제2 하위단계는 활성 층을 캡핑하는 단계일 수 있다. 상위 중합체 층은 활성 층 상에 형성되거나 성장된다.
캔틸레버들은 10 μm 두께의 SU8 에폭시 포토레지스트 층으로부터 직접 레이저 기록 포토리소그래피에 의해 패턴화된다. SU8 3010은 2개의 연속 단계들에서 스핀 코팅된다. 첫 번째 단계는 5초 동안 100 rpms/s 가속을 동반한 500 rpms 속도로 구성된다. 두 번째 단계는 30초 동안 300 rpms/s 가속을 동반한 2600 rpms 속도로 구성된다. 사전베이킹은 핫플레이트에서 수행되며, 주변 온도로부터 65 ℃로 램프 업되고, 웨이퍼는 65 ℃에서 5분 동안 방치된다. 그 다음, 95 ℃까지 램프 업되고, 95 ℃에서 7분 동안 방치된 다음, 주변 온도로 램프 다운된다. 이용되는 모든 램프들은 150 ℃/h로 설정된다. 노광은, 1015 mJ/cm²의 선량과 광 디포커싱 +3을 이용한 직접 레이저 기록 포토리소그래피(Heidelberg MLA150™, 레이저 파장 λ = 375 nm)에 의해 수행된다. 노출 후 베이킹은 사전베이킹과 동일한 방식으로 수행되며, 웨이퍼는 65 ℃에서 2분, 95 ℃에서 4분 동안 방치된다. 패턴들은 2개 조(bath)의 SU8 현상액을 이용하여 현상된다. 현상은, 첫 번째 조에서 2분 15초, 두 번째 조에서 15초, 및 이소프로판올에서 15초 동안 헹군 후에 달성된다. SU8은 마지막으로 150 ℃의 핫플레이트에서 45분 동안 베이킹되어 가교를 완료하고 변형을 릴리스한다.
적어도 하나의 캔틸레버를 형성하는 단계(280) 동안 또는 그 이후에, 프로세스는 칩 몸체라고도 지칭되는 중합체 몸체를 형성하는 단계(도시되지 않음)를 포함할 수 있다.
칩 몸체는 또한, SU8 에폭시 포토레지스트 층으로부터 직접 레이저 기록 포토리소그래피에 의해 패턴화될 수 있다. 이 단계에 이용되는 SU8은 200 μm 두께이다. SU8 100은 2개의 연속 단계들에서 스핀코팅된다. 첫 번째 단계는 10초 동안 100 rpms/s 가속을 동반한 500 rpms 속도로 구성된다. 두 번째 단계는 80초 동안 300 rpm/s 가속을 동반한 1250 rpms 속도로 구성된다. 웨이퍼는 레지스트의 평탄화를 허용하기 위해 12시간 동안 주변 조건들에 방치된다. 사전베이킹은 핫플레이트에서 수행되며 주변 온도로부터 65 ℃로 램프 업되고, 웨이퍼는 30분 동안 65 ℃에서 방치된다. 그 다음, 95 ℃까지 램프 업되고, 95 ℃에서 100분 동안 방치된 다음, 주변 온도로 램프 다운된다. 램프 업은 180 ℃/h로 설정되고 램프 다운은 120 ℃/h로 설정된다. 노광은, 2000 mJ/cm²의 선량과 광 디포커싱 +20을 이용한 직접 레이저 기록 포토리소그래피(Heidelberg MLA150™, 레이저 파장 λ = 375 nm)에 의해 수행된다. 노출 후 베이킹은 사전베이킹과 동일한 방식으로 수행되며, 웨이퍼는 65 ℃에서 5분, 95 ℃에서 25분 동안 방치된다. 패턴들은 현상된 미세구조물의 잔류물 오염을 피하기 위해 SU8 현상액의 3개 조를 이용하여 현상된다. 현상은, 첫 번째 조에서 45분, 두 번째 조에서 5분, 세 번째 조에서 1분, 및 이소프로판올에서 30초 동안 헹군 후에 달성된다. SU8은 마지막으로 60 ℃의 핫플레이트에서 뚜껑을 덮고 18시간 동안 베이킹되어 가교를 완료하고 변형을 릴리스한다.
릴리스하는 최종 단계(290)에서, 센서는, 실온에서 2시간 동안 구리 희생 층의 FeCl3:H2O 740 mMol에서의 화학적 에칭을 통해 실리콘 웨이퍼로부터 릴리스된다.
ZnO 퇴적 후의 프로세스 동안에는 열 충격을 피해야 한다. 퇴적(264)의 하위단계로부터, 모든 베이킹 동작들은 180 ℃/h 아래의 램프를 추가하거나 가능한 경우 베이킹을 하지 않음으로써 수행된다. 활성 층 상에 마스크를 형성하는(266) 하위단계의 경우, ZnO 에칭 마스크로서 작용하는 S1813 포토레지스트 층은 리소그래피 전날 스핀코팅된다. 사전베이킹은 주변 조건들에서 밤새 용매 증발로 대체된다. 적어도 하나의 캔틸레버를 형성하는 단계(280) 및 후속 단계(들)에서의 하드 베이킹은 주변 온도로부터 150 ℃까지 180 ℃/h 램프로 수행된다.
도 9a, 도 9b 및 도 9c는, 퇴적 온도 (a) 100 ℃, (b) 80 ℃ 및 (c) 60 ℃에서 기판 상에 성장된 ZnO 박막들의 주사 전자 현미경(SEM) 평면도 이미지들 및 연관된 스침 입사 x-선 회절(grazing incident x-ray diffraction)(GI-XRD) 회절 패턴들(ω=0.3°)을 보여준다. 획득된 ZnO 필름들은 동일한 수의 ALD 루프(1000 루프)로 퇴적되었다. 눈금 막대는 300 nm에 대응한다.
도 9a 내지 도 9c는, 도 9a의 100 ℃, 도 9b의 80 ℃, 및 도 9c의 60 ℃의 퇴적 온도에서, 연관된 스침 입사 x-선 회절(GI-XRD)을 동반한 기준 기판들 상에서의 원자 층 퇴적(ALD)에 의해 성장된 ZnO 박막들의 SEM 평면도 이미지들을 나타낸다. 퇴적된 ZnO 박막들은 다결정질이다. 100 ℃의 온도에서, (100), (002) 및 (101) 결정 배향들 사이에 공유되는 결정립 배향들의 상이한 분포를 관찰할 수 있다.
도 10은, 100 ℃, 80 ℃ 및 60 ℃에서 75 μm 두께의 중합체 기판의 상단 상에서 성장된 ZnO 필름들의 (ω=0.3°) GI -XRD 회절 패턴들을 보여준다.
퇴적된 ZnO 박막들은 다결정질이다. 100 ℃의 온도에서, (100), (002) 및 (101) 결정 배향들 사이에 공유되는 결정립 배향들의 상이한 분포를 관찰할 수 있다. 이것은, 이 온도에서 기판에 평행한 쐐기형 결정체들 및 기판에 수직인 미세한 기둥형 결정체들의 분포를 보여주는 SEM 평면도 이미지들에 의해 추가로 확인된다. 그러나, 퇴적 온도가 감소함에 따라, (002) 결정 배향이 80 ℃에서 상당히 증가하고 60 ℃에서 우세해지는 전이가 발생하고 있다. 이것은 감소하는 퇴적 온도들에 대해 미세한 기둥형 결정들의 출현이 상당히 증가하는 것과 일치한다. 이것은 낮은 온도들에서 획득된 ZnO 박막들의 형태에 상당한 변화를 가져오며, 여기서, 결정립들은 압전 응용들에서 특히 중요한 c축을 따라 기판에 수직인 (002) 방향으로 주로 배향된다.
도 11은, 상단 표면의 Ar+ 에칭 후 박막의 벌크에서 획득되는, 80 ℃에서 ALD에 의해 퇴적된 ZnO 박막의 XPS 분석 스펙트럼을 보여준다.
XPS 분석 스펙트럼은 80 ℃에서 ALD에 의해 퇴적된 ZnO 박막의 벌크에 대응한다. 깊이 프로파일링을 위한 Ar+ 이온 빔의 이용으로 인한 Ar+ 이온 주입과 관련된, Ar 2s 및 Ar 2p 피크들을 제외하고, 다른 모든 피크는 Zn 및 O 화학 원소들과 관련되며, 이것은 다른 원소들에 의한 상당한 레벨의 오염없는 ALD에 의한 생성된 ZnO 박막의 고품질을 확인해 준다. 이들 조건들에서 퇴적된 ZnO 박막들에 대한 XPS 깊이 프로파일링에 의해 획득된 O:Zn 원자 비율의 변화가 도 12에 표시되어 있다.
도 12는 상이한 퇴적 온도들에 대해 ALD에 의한 생성된 ZnO 박막들에 대한 XPS 깊이 프로파일링에 의해 획득된 O:Zn 원자 비율의 변화를 나타내는 그래프를 도시한다.
O:Zn 비율은 60 ℃와 120 ℃ 사이에서 연구된 모든 온도에 대해 1에 가까우며, 이것은 위에서 언급된 진술을 추가로 확인시켜 준다. 이 비율은 온도가 150 ℃보다 높은 값으로 증가되면 감소할 것으로 예상된다. 따라서 저온에서 ALD에 의한 ZnO 박막들의 퇴적은, ZnO 결함들, 더 정확하게는 산소 결손들 및 아연 간극들의 형성이 상당히 감소되는 특권적인 화학양론적 성장으로 이어진다. 그 결과, ZnO 박막들은, 높은 저항률, 낮은 캐리어 농도 및 충분한 전자 이동도를 수반하여, 쇼트키 거동에 양호하게 적합화된 파라미터들을 나타낸다.
도 13은 본 발명에 따른 센서에 대한 SU8 중합체 표면들 상에서의 상이한 퇴적 온도들에 대해 ALD에 의해 성장된 ZnO 박막들의 저항 변화를 나타내는 그래프이다. 가로 축은 퇴적 온도를 나타내며, 섭씨 온도로 표시된다. 세로 축은 산화아연 층의 저항을 나타낸다. 저항은 Ohm으로 표시되며, 로그 스케일로 제공된다. 저항은, 1 mm만큼 이격된 동일한 2개의 텅스텐 팁 프로브가 있는 전위계 시스템(Keithley 6517B™)에 의해 측정된다.
예를 들어, 산화아연을 포함하는 활성 층의 저항률은 온도에 따라 감소된다.
도 14는 본 발명에 따른 센서에 대한, 상이한 주파수들에서의 상이한 AC 바이어스 전압들에 대한 게이지 계수의 변화의 그래프이다. 게이지 계수는 센서의 변환 감도(상대적 변형 적용된 변화에 관한 상대적 출력 전류 변화)를 추적한다.
조사된 모든 주파수에 대해, 바이어스 전압들이 증가하는 동안 게이지 계수 값들이 증가하는 명확한 경향이 식별될 수 있다. 가장 높은 게이지 계수 값은, 센서들의 비선형 거동을 촉진하는 10V의 바이어스 전압에 대해 150으로 평가되었다. ALD 퇴적 온도를 60 ℃로 감소시키는 것은, 센서 전류 값들의 감소를 동반한 ZnO 박막들의 저항률의 상당한 증가로 이어진다. 이 더 낮은 온도에서, 센서들은 전형적으로 수십 내지 수백 나노암페어 범위 내에서 동작하는 반면, 부과된 바이어스 전압은 최대 25V까지 증가했다. 이것은 마이크로와트 레벨까지 센서의 전력 소비를 낮추는 것을 허용한다. 더 높은 바이어스 전압에서 비선형 거동과 게이지 계수의 증가 양쪽 모두가 촉진되기 때문에, 동일한 경향들이 식별될 수 있다.
도 15는 본 발명에 따른 센서의 캔틸레버에 배열된 피에조트로닉 변형 마이크로센서의 입력 바이어스 응답에 대한 변환 출력 전류를 나타내는 그래프이다. ZnO 박막은 80 ℃에서 ALD에 의해 퇴적된다. 바이어스 전압은 신호 대 잡음비를 개선하기 위해 100Hz에서 AC 변조된다.
전류 응답은 트랜스임피던스 증폭기를 통해 증폭되어 계측 체인을 위한 이용가능한 전압 신호를 얻는다. 전류 응답은 비선형이며 다이오드 접합들에 대해 종래의 명확한 정류 거동을 보여준다. 센서 응답들은 순방향 및 역방향 바이어스 양쪽 모두에 대해 지속적으로 대칭적이며, 이것은 백-투-백 다이오드들의 경우 동일한 금속 전극들을 이용하는 대칭 다이오드 계면들을 갖는 디바이스에서 전형적이다. 저온 퇴적과 관련된 센서들의 높은 저항률로 인해, 부과된 바이어스 전압은 비선형 거동을 더욱 촉진하기 위해 10볼트로 상당히 증가되어야 했다. 그 다음, 50 μW 미만의 전력 소비가 보고된다. 따라서 피에조트로닉 센서들은, 밀리와트 범위에서 작동하는 종래의 압전저항식 및 정전용량식 센서와 비교하여 저 소비전력 감지 기술들의 유망한 후보로 보인다.
캔틸레버들의 클램핑된 영역에서 생성된 변형 
이 다음과 같은 방정식을 이용하여 계산되었다:
여기서, 
는 캔틸레버 두께이고, 
는 센서 두께이고, 
은 캔틸레버 길이이고, 
는 센서 길이이고, 
는 스캐닝 프로브 및 힘 분광기 동작들 동안에 Z축 피에조스테이지(PI™ GmbH 시스템) 객체에 의해 적용된 힘의 (길이에서의) 접촉점에 상대적으로 캔틸레버에 부과되는 편향이다.
기계적 변형 
에 대한 전류 
의 상대 변화 비율의 절대값에 기초하여, 게이지 계수 계산을 위해 다음과 같은 방정식이 이용되었다:
여기서, 
는 주어진 바이어스에 대해 정상 상태(steady state)의 전류이고, 
는 동일한 인가된 바이어스에 대해 주어진 변형 
하에서의 전류 변화이다. 이 변형은 이전 방정식을 이용하여 계산된 캔틸레버형 센서의 클램핑된 말단에서 생성된 변형에 대응한다.
이들 고려사항들에 기초하여, 80 ℃의 ALD 퇴적 온도로 처리된 300 nm의 ZnO 층을 갖는 센서들에 부과된 바이어스 주파수들뿐만 아니라 바이어스 전압들을 스윕핑함으로써 게이지 계수 값들이 계산되었다.
본 발명의 모든 개시된 실시예에서, 높은 일함수 금속 및 ZnO 층 등의 반도체 박막을 포함하는 접합을 형성함으로써 기계적 변형에 반응하는 쇼트키 접촉을 획득하는 것이 바람직하며, 여기서 ZnO 박막은 선호되는 (002) x축 배향을 나타낸다. 쇼트키 접합을 획득하는 것은, 관련 자유 캐리어 농도 Nd를 획득하기 위한 ZnO 박막의 반도체성 속성들의 제어와 높은 일함수 금속에 공동으로 의존한다. 반도체성 속성들은, (1016 내지 1017 cm-3 사이로 포함되어야 하는) Nd 및 대역갭 Eg ~ 300K에서의 3.3eV에 의존한다. 동시에, ZnO에 대한 높은 압전 계수는, 표면 상의 다결정질 ZnO 박막의 선호되는 (002) c축 배향에 의해 달성된다. 획득된 전기적 파라미터들은 실험적 (I-V) 특성들의 역방향 스윕 내에서의 비선형 피팅에 의해 결정될 수 있다. 피팅은 역 바이어스된 쇼트키 접합을 통한 전도 메커니즘을 기술하는 다음과 같은 방정식에 의해 이루어진다:
본 발명의 범위 내의 다양한 변경 및 수정이 본 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이기 때문에, 특정한 바람직한 실시예들의 상세한 설명은 단지 예시로서 주어진 것임을 이해해야 한다. 보호 범위는 다음과 같은 청구항 세트에 의해 정의된다.
Claims (25)
- 센서(2)를 제작하기 위한 방법으로서, 상기 센서(2)는,
중합체 몸체(4), 및 적어도 하나의 쇼트키 접합(Schottky junction)(30)을 포함하는 변형 게이지(12)를 포함하고,
상기 쇼트키 접합(30)은 바람직하게는 섬유아연석 결정 구조(wurtzite crystalline structure)를 갖는 압전 반도체 재료를 포함하는 활성 층(24)을 포함하고, 상기 쇼트키 접합(30)은 상기 활성 층(24)에 전기적으로 접속된 적어도 하나의 금속 전극(14)을 더 포함하고,
상기 방법은, 다음과 같은 단계들:
중합체 층(26)을 형성하는 단계(220),
상기 중합체 층(26) 상에 적어도 하나의 금속 전극(14)을 성장시키는 단계(240),
상기 중합체 층(26) 상에 원자 층 퇴적(atomic layer deposition)(ALD)에 의해 상기 활성 층(24)을 성장시키는 단계(260)
를 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서, 상기 활성 층(24)을 성장시키는 단계(260)는, 20 ℃ 내지 150 ℃, 바람직하게는 60 ℃ 내지 100 ℃, 더욱 바람직하게는 60 ℃ 내지 80 ℃ 범위의 퇴적 온도를 이용하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 활성 층(24)은, 산화아연(ZnO), 임의로 마그네슘 도핑된 산화아연(MgZnO)을 포함하고, 상기 활성 층(24) 및 상기 적어도 하나의 금속 전극(14)은 쇼트키 장벽(32)을 정의하는, 방법.
- 제3항에 있어서, 상기 활성 층(24)을 성장시키는 단계(260)는 분자 산소 가스 펄싱을 포함하는, 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 분자 산소 가스 펄싱은 1초 내지 5초 범위의 시간 길이를 포함하는, 방법.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성 층(24)은, 다음과 같은 재료들: 질화갈륨(GaN); 황화 카드뮴(CdS); 질화인듐(InN), 스칸듐 도핑된 질화알루미늄(Sc-AlN), 및 이들의 조합들 중에서 적어도 하나를 포함하는, 방법.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 전극(14) 또는 적어도 하나의 또는 각각의 금속 전극(14)은 백금 전극이거나 백금 합금을 포함하는, 방법.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 전극(14) 또는 적어도 하나의 또는 각각의 금속 전극(14)은 금 전극, 또는 은 전극, 또는 팔라듐 전극이거나; 또는 상기 금속 전극(14)은 백금 합금, 또는 금 합금, 또는 은 합금, 또는 팔라듐 합금을 포함하는, 방법.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성 층(24)은 50 나노미터 내지 500 나노미터 범위의 두께를 포함하는, 방법.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 금속 전극(14)은 100 나노미터 내지 200 나노미터 범위의 두께를 포함하는, 방법.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 금속 전극(14)은 적어도 5.0 eV; 바람직하게는 5.2 eV; 더욱 바람직하게는 5.5 eV의 일함수를 포함하는, 방법.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성 층(24)을 성장시키는 단계(260)에서, 상기 활성 층(24)은 상기 금속 전극(들)(14) 상에서 성장하는, 방법.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 금속 전극(14)은 맞물린 패턴(16)을 정의하는 2개의 금속 전극을 포함하는, 방법.
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성 층(24)은 (002) 결정 배향, 또는 (001) 결정 배향, 또는 (101) 결정 배향을 나타내는 결정립들의 대부분을 포함하는 섬유아연석 다결정 구조를 포함하는, 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 (002) 결정 배향, 또는 (001) 결정 배향, 또는 (101) 결정 배향은 상기 중합체 층(26)에 수직인, 방법.
- 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성 층(24)은 상기 중합체 층(26)에 수직인 기둥형 (002) 결정 구조들을 포함하는, 방법.
- 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중합체 층은 투명 중합체 층(26)이고, 바람직하게는 상기 중합체 몸체(4)는 투명 중합체 몸체(4)인, 방법.
- 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중합체 층(26)을 형성하는 단계(220)는 SU8 에폭시계 포토레지스트를 이용하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중합체 층(26)을 형성하는 단계(220)는 중합체 감지 피크(8)를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 활성 층(24)을 성장시키는 단계(260)에서, 상기 활성 층(24)은 상기 감지 피크(8) 위로 성장하는, 방법.
- 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로세스는 희생 층을 제공하는 단계(200)를 포함하고; 상기 중합체 층(26)을 형성하는 단계(220)에서, 상기 중합체 층(26)은 상기 희생 층 상에 형성되고; 상기 프로세스는 릴리스하는 단계(290)를 더 포함하고, 상기 센서(2)는 상기 희생 층으로부터 릴리스되는, 방법.
- 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중합체 몸체(4)는 적어도 하나의 캔틸레버(6)를 포함하고, 상기 적어도 하나의 쇼트키 접합(30)은 상기 캔틸레버(6)에 있으며, 상기 프로세스는 상기 적어도 하나의 캔틸레버(6)를 형성하는 단계(280)를 포함하고, 상기 적어도 하나의 캔틸레버(6)를 형성하는 단계(280)는, 상기 활성 층(24)의 두께에 상기 중합체 층(26)의 두께를 더한 것과 동일한 두께를 갖는 하위 중합체 필름을 형성하는 제1 하위단계; 및 상기 하위 중합체 필름 및 상기 활성 층(24) 상에 상위 중합체 필름을 형성하는 제2 하위단계를 포함하는, 방법.
- 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 전극(14)을 성장시키는 단계(240)에서, 상기 금속 전극(14)은 전자빔 증발에 의해 또는 PVD 스퍼터링에 의해 성장되는, 방법.
- 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 전극(14)을 성장시키는 단계(240)는 디포커싱, 임의로 적어도 -12의 네거티브 디포커싱을 갖는 레이저 리소그래피에 의해 포토레지스트 패턴화하는(242) 하위단계를 포함하는, 방법.
- 중합체 몸체(4)에 매립된 적어도 하나의 쇼트키 접합(30)을 갖는 변형 게이지(12)를 포함하는 상기 중합체 몸체(4)를 포함하는 센서(2)로서, 상기 쇼트키 접합(30)은,
· 압전 반도체 재료를 포함하는 활성 층(24) ― 상기 압전 반도체 재료는 바람직하게는 섬유아연석 결정 구조를 포함함 ―, 및
· 상기 활성 층(24)에 전기적으로 접속된 적어도 하나의 금속 전극(14)
을 포함하고,
상기 활성 층(24)은 원자 층 퇴적(ALD)에 의해 획득되고, 상기 중합체 층(26)은 상기 활성 층(24) 및 상기 적어도 하나의 금속 전극(14)을 지지하는 표면을 포함하고, 상기 센서(2)는 바람직하게는 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 획득되는, 센서(2). - 메인 (002) 결정 배향에 수직인 중합체 층(26) 상에 변형 게이지(12)의 쇼트키 접합(30)의 활성 층(24)을 형성하기 위한, 상기 메인 (002) 결정 배향을 포함하는 산화아연(ZnO)의 용도.
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