KR20230153019A - 이중층 구조를 이용한 mems 소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이중층 구조를 이용한 MEMS 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 이차원 압전 물질층 및 압전 폴리머의 이중층 구조를 이용한 소자로써 고안정성 및 고출력을 나타내는 소자에 관한 것이다. 이러한 본 발명의 이중층 구조를 이용한 MEMS 소자는 MEMS 마이크로폰 또는 MEMS 센서로 이용 가능하다.
Description
본 발명은 이중층 구조를 이용한 MEMS 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 이차원 압전 물질층 및 압전 폴리머의 이중층 구조를 이용한 소자로써 고안정성 및 고출력을 나타내는 소자에 관한 것이다. 이러한 본 발명의 이중층 구조를 이용한 MEMS 소자는 MEMS 마이크로폰 또는 MEMS 센서로 이용 가능하다.
마이크로폰은 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 마이크로폰이 점차 초소형화 됨에 따라 MEMS 공정을 이용하여 기존의 마이크로폰 보다 얇고 가볍고 전력소모가 적은 초소형 마이크로폰이 활발히 적용되고 있는 실정이다. 최근에는 초소형 전자기계 시스템(Micro Electro Mechanical System : MEMS)과 같은 반도체 공정 방식을 이용하여 실리콘 계열의 웨이퍼에 초소형 마이크로폰을 제작하여 집적하는 방식을 이용하고 있다.
마이크로폰은 음파 또는 초음파의 진동에 따른 전기신호를 발생하는 장치이며 각종 음향장비에 사용되고 있으며, 특히 스마트기기에서 많은 수요가 있으며 소형 마이크로폰 개발 필요성이 대두되고 있다. 기존에는 정전용량형 마이크로폰이 주로 사용되었으나, 점차 열공정에서의 취약점이 없고, 모듈 제작 방법이 자동화가 가능하여 대량 생산이 가능한 MEMS 마이크로폰으로 대체되고 있다. 이러한 MEMS 방식은 정전용량형에 비해 온도/습도에 따른 열화가 적어 품질관리에 유리한 장점이 있다.
한편, 압전 마이크로폰은 PZT, ZnO, AlN, PMN-PT 또는 PVDF와 같은 압전 소재를 이용하여 제작되며 정전용량형에 비해 감도가 낮고 자체 노이즈가 높은 단점이 있다. 따라서 압전 소재 자체의 압전 특성을 높이고 소형화, 저전력, 고감도를 갖는 음향 센서가 필요한 상황이다.
본 발명을 통하여 이차원 압전 물질의 산화를 방지하고 압전특성을 향상 시켜 우수한 감도 특성과 SNR(Signal to noise ratio)을 가지는 MEMS 소자 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
2D 압전 소재 및 압전 특성을 향상시키는 산화 방지막 이층 구조를 활용한 고감도 MEMS 소자를 개발함으로써 마이크로폰 또는 센서 시장에서 새로운 소자 및 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이중층 구조를 이용한 소자는, 공동을 포함하는 기판; 상기 공동을 커버하면서 상기 기판 상에 배치되는 진동판; 및 상기 진동판 상에 배치되는 전극층을 포함하고, 상기 진동판은 이차원 압전 물질층 및 압전 폴리머층의 이중층으로 이루어지며, 상기 기판 상에 상기 이차원 압전 물질층 및 상기 압전 폴리머층이 차례대로 적층된 형태이고, 음파 또는 초음파의 진동에 따른 전기 신호를 발생한다.
상기 공동을 포함하는 기판 상에 절연층을 추가로 포함할 수 있다.
상기 압전 폴리머층은 PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFE-CFE), P(VDF-TrFE-CTFE), P(VDF-TFE), P(VDF-HFA), P(VDF-TFE-HFP) 중 어느 하나가 이용될 수 있다.
상기 압전 폴리머층은 표면에 수평한 방향을 따라 분극되어 있어 상기 소자의 압전 특성을 향상시킨다.
상기 압전 폴리머층은 상기 이차원 압전 물질층 상에 코팅되어 있어 상기 이차원 압전 물질층의 산화를 방지하여 압전 특성을 향상시킨다.
상기 이차원 압전 물질층은 전이금속 칼코게나이드, 알칼리토금속 산화물, 3-5족 화합물 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 이차원 압전 물질층의 두께는 1 nm 이하이다.
상기 압전 폴리머층의 두께는 100nm 이하이다.
상기 소자는 MEMS 마이크로폰 또는 MEMS 센서로 이용 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이중층 구조를 이용한 소자의 제조 방법은, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판의 일면에 이차원 압전 물질층을 형성하는 단계; 상기 이차원 압전 물질층 상에 압전 폴리머층을 형성하는 단계; 상기 압전 폴리머층에 전기장을 인가하여 분극시키는 단계; 상기 압전 폴리머층 상에 전극층을 형성하는 단계; 및 상기 기판에 식각 공정을 이용해 공동을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 이차원 압전 물질층 및 상기 압전 폴리머층은 이중층을 형성하고, 상기 이중층은 진동판 역할을 한다.
상기 기판은 기판 상에 절연층을 추가로 포함하고, 상기 기판에 공동을 형성할 때 상기 기판 및 상기 절연층이 함께 식각될 수 있다.
상기 기판의 일면에 이차원 압전 물질층을 형성하는 단계는 스퍼터링 공정에 의해 수행된다.
상기 이차원 압전 물질층은 전이금속 칼코게나이드, 알칼리토금속 산화물, 3-5족 화합물 중 어느 하나일 수 있다.
상기 이차원 압전 물질층의 두께는 1 nm 이하이다.
상기 이차원 압전 물질층 상에 압전 폴리머층을 형성하는 단계는, 압전 폴리머 분말 및 용매를 혼합한 용액을 코팅한 후 열처리를 통해 수행된다.
상기 압전 폴리머는 PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFE-CFE), P(VDF-TrFE-CTFE), P(VDF-TFE), P(VDF-HFA), P(VDF-TFE-HFP) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 압전 폴리머층에 전기장을 인가하여 분극시키는 단계는, 상기 압전 폴리머층의 표면에 수평한 방향을 따라 전기장을 인가하여 분극시켜 수행된다.
상기 압전 폴리머층의 분극에 의해 소자의 압전 특성을 향상된다.
상기 압전 폴리머층을 상기 이차원 압전 물질층 상에 형성시켜 상기 이차원 압전 물질층의 산화를 방지하여 압전 특성이 향상된다.
상기 압전 폴리머층의 두께는 100nm 이하이다.
상기 기판에 식각 공정을 이용해 공동을 형성하는 단계는, 상기 압전 폴리머층, 상기 이차원 압전 물질층 및 상기 전극이 형성된 표면에 보호층을 코팅한 후 식각이 이루어진다.
본 발명에 따른 이중층 구조를 이용한 MEMS 소자는 이차원 압전 물질의 산화를 방지하고 압전특성을 향상 시켜 우수한 감도 특성과 SNR을 나타낸다. 이러한 MEMS 소자를 활용하여 마이크로폰 또는 센서 시장에서 새로운 소자의 이용이 가능할 것으로 기대된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중층 구조를 이용한 MEMS 소자의 사시도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중층 구조를 이용한 MEMS 소자의 단면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중층 구조를 이용한 MEMS 소자의 제조 방법의 순서도를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 이차원 압전 물질층 상에 압전 폴리머층을 형성하는 과정의 모식도를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 압전 폴리머층에 전기장을 인가하여 분극시키는 과정을 도시한다.
도 6은 압전 폴리머가 이차원 압전 물질 상으로의 코팅 유무에 따른 압전 특성의 결과를 비교한 도면이다.
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 본 발명의 일 실시예에 따른 이중층 구조를 이용한 MEMS 소자의 단면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중층 구조를 이용한 MEMS 소자의 제조 방법의 순서도를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 이차원 압전 물질층 상에 압전 폴리머층을 형성하는 과정의 모식도를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 압전 폴리머층에 전기장을 인가하여 분극시키는 과정을 도시한다.
도 6은 압전 폴리머가 이차원 압전 물질 상으로의 코팅 유무에 따른 압전 특성의 결과를 비교한 도면이다.
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.
본 발명은 이차원 압전 물질층 및 압전 폴리머의 이중층 구조를 이용한 소자로써 고안정성 및 고출력을 나타내는 소자에 관한 것이다. 이러한 본 발명의 이중층 구조를 이용한 MEMS 소자는 MEMS 마이크로폰 또는 MEMS 센서로 이용 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중층 구조를 이용한 MEMS 소자의 사시도를 도시하고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중층 구조를 이용한 MEMS 소자의 단면도를 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이중층 구조를 이용한 MEMS 소자는, 공동(50)을 포함하는 기판(10); 공동을 커버하면서 기판 상에 배치되는 진동판(20, 30); 및 진동판 상에 배치되는 전극층(40)을 포함한다.
기판(10)은 예를 들어 실리콘 기판이 이용될 수 있으며, 도면에서와 같이 실리콘 기판 상면에 SiO2층이 형성되어 있을 수 있다. 한편, 기판은 기판 가운데 부분에 공동(50)을 포함할 수 있으며, 이러한 공동의 모양은 사각형, 원형 등의 모양일 수 있으며 그 모양에 특별히 제한되지 않는다.
또한, 기판(10)은 기판 상에 절연층(11)을 추가로 포함할 수 있으며, 이러한 절연층(11)은 예를 들어 Al2O3, HfO2 등으로 이루어질 수 있고 이에 제한되는 것은 아니다. 이러한 절연층(11)은 추후 기판의 식각시 데미지가 이차원 압전 물질층(20)에 영향을 주는 것을 방지하기 위한 것이다. 이러한 절연층(11)은 생략이 될 수도 있으며, 또한 이러한 절연층(11) 역시 기판(10)과 함께 식각되어 절연층(11)에도 연속적으로 공동이 형성될 수도 있다. 따라서 이 경우에는 관통 형태의 공동이 형성될 수도 있다.
진동판은 공동을 커버하면서 기판 상에 배치되는데, 이러한 진동판은 이차원 압전 물질층(20) 및 압전 폴리머층(30)의 이중층으로 이루어지며, 기판(10) 상에 이차원 압전 물질층(20) 및 압전 폴리머(30)층이 차례대로 적층된 형태이다.
이차원 압전 물질층(20)은 전이금속 칼코게나이드, 알칼리토금속 산화물, 3-5족 화합물 중 어느 하나를 포함한다. 이차원 압전 물질은 공기 중에서 높은 감도와 고른 주파수 특성을 얻기 위한 이상적인 구조를 갖고 있다. 이차원 압전 물질 구조체의 경우 음파의 진행방향으로 두께가 얇아 강도가 낮은 미세한 음파에 의해 형성되어는 압력 차이에 의한 변위에 저항을 최소화 하여 진동함으로써 높은 감도를 가질 것으로 예상한다. 또한 얇은 두께를 가지는 이차원 압전 물질의 특성상 공기 입자 진동과 동기화가 용이함으로 타 센서에 비해 저음적 특성이 용이할 것으로 기대된다.
전이금속 칼코게나이드(Transition Metal Dichalcogenide : TMD) 물질은 반도체 특성을 갖고 있으며 전이금속과 칼코겐 원자가 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. 그 밖에, 알칼리토금속 산화물(CdO, ZnO, CaO, MgO 등), 3-5족 화합물(BN, InAs, InP, AlAs) 등이 이차원 압전 물질층으로서 사용될 수 있다.
본 발명에서 이차원 압전 물질층의 두께는 1 nm 이하인 것이 바람직하다. 진동판이 크고 무거우면 음질을 저하시키는 요인으로 작용하며, 넓은 면적의 진동판은 공기의 저항을 받기 때문에 음이 흐려지는 원인이 된다. 따라서 본 발명에서는 단원자 층 스케일의 극도로 얇은 이차원 물질을 진동판으로 사용함으로써, 매우 높은 민감도(Sensitivity)를 갖는 마이크로폰을 제작할 수 있다. 본 발명에서는 이차원 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 이차원 압전 물질층의 공진 주파수는 20 kHz를 이상인 것이 이용되는 것이 바람직하다. 이차원 압전 물질 중 MoS2 membrane의 공진주파수는 20 kHz 이상이고, 따라서 20 kHz 이상의 초음파 영역에서도 사용 가능한 마이크로폰 제작을 위한 소재로 적합하다.
한편, 이차원 압전 물질층은 복수개의 층으로 이루어질 수도 있다. 즉, 복수개의 이차원 압전 물질층이 서로 겹쳐진 형태일 수도 있다. 이러한 멀티 레이어로 이용함에 의해 압전 효과의 특성 향상이 추가적으로 이루어질 수 있다.
압전 폴리머층(30)은 상기 압전 폴리머층은 PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFE-CFE), P(VDF-TrFE-CTFE), P(VDF-TFE), P(VDF-HFA), P(VDF-TFE-HFP) 중 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
압전 폴리머층(30)은 표면에 수평한 방향을 따라 분극되어 있어 상기 MEMS 소자의 압전 특성을 향상시킬 수 있다. 본 발명에서 이차원 압전 물질층의 경우 D11 방향의 압전 특성(이차원 압전 물질층의 표면에 평행한 수평 방향)을 이용하기 때문에 이러한 D11 방향과 동일한 방향으로 압전 폴리머층을 분극 시킴으로써 궁극적으로 소자의 압전 특성을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 압전 폴리머층은 이차원 압전 물질층 상에 코팅되어 있어 이차원 압전 물질층의 산화를 방지하여 압전 특성을 향상시킬 수 있다. 압전 폴리머층의 두께는 100nm 이하인 것이 바람직하다.
본 발명에서는 이러한 이차원 압전 물질층(20) 및 그 위에 코팅된 압전 폴리머층(30)이 함께 진동판을 형성하게 된다.
전극층(40)은 도면에서 보는 것처럼 진동판의 양단(바람직하게 공동을 사이에 두고 양단)에 배치되며, 전극층은 전극 물질로 이용 가능한 것이면 어떠한 것이든 가능하며, 이에 대한 특별한 제한은 없다.
본 발명에 따른 이중층 구조를 이용한 MEMS 소자는, 음파 또는 초음파의 진동에 따른 전기 신호를 발생하며, 이러한 MEMS 소자는 MEMS 마이크로폰 또는 MEMS 센서로 이용 가능하다.
지금까지 본 발명의 일 실시예에 따른 이중층 구조를 이용한 MEMS 소자에 대해서 설명하였으며, 이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중층 구조를 이용한 MEMS 소자의 제조 방법에 대해 설명하도록 하겠다. 위에서 설명한 부분과 중복되는 부분에 대해서는 반복 설명을 생략하도록 하겠다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중층 구조를 이용한 MEMS 소자의 제조 방법의 순서도를 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이중층 구조를 이용한 MEMS 소자의 제조 방법은, 기판을 준비하는 단계(S 310); 상기 기판의 일면에 이차원 압전 물질층을 형성하는 단계(S 320); 상기 이차원 압전 물질층 상에 압전 폴리머층을 형성하는 단계(S 330); 상기 압전 폴리머층에 전기장을 인가하여 분극시키는 단계(S 340); 상기 압전 폴리머층 상에 전극층을 형성하는 단계(S 350); 및 상기 기판에 식각 공정을 이용해 공동을 형성하는 단계(S 360)를 포함한다.
S 310 단계에서는 기판(10)을 준비한다. 한편, 기판은 기판 상에 절연층을 추가로 포함할 수도 있으며, 기판에 공동을 형성할 때 상기 기판 및 상기 절연층이 함께 식각될 수도 있다.
S 320 단계에서는 기판의 일면에 이차원 압전 물질층을 형성한다. 기판의 일면에 이차원 압전 물질층을 형성하는 단계는 스퍼터링 공정에 의해 수행될 수 있으며, 이에 대해서는 후술하는 실시예에서 자세히 설명하도록 하겠다. 이차원 압전 물질층은 전이금속 칼코게나이드, 알칼리토금속 산화물, 3-5족 화합물 중 어느 하나가 이용될 수 있고, 이차원 압전 물질층의 두께는 1 nm 이하로 제어되는 것이 바람직하다.
S 330 단계에서는 이차원 압전 물질층 상에 압전 폴리머층을 형성한다. 도 4는 본 발명에 따른 이차원 압전 물질층 상에 압전 폴리머층을 형성하는 과정의 모식도를 도시한다.
이차원 압전 물질층 상에 압전 폴리머층을 형성하는 단계는, 압전 폴리머 분말 및 용매를 혼합한 용액을 코팅한 후 열처리를 통해 수행되며, 이에 대해서는 후술하는 실시예에서 자세히 설명하도록 하겠다. 압전 폴리머층에 전기장을 인가하여 분극시키는 단계는, 압전 폴리머층의 표면에 수평한 방향을 따라 전기장을 인가하여 분극시켜 수행된다. 압전 폴리머층의 분극에 의해 MEMS 소자의 압전 특성을 향상될 수 있고, 압전 폴리머층을 이차원 압전 물질층 상에 형성시켜 이차원 압전 물질층의 산화를 방지하여 압전 특성이 향상될 수 있다. 압전 폴리머층의 두께는 100nm 이하로 제어되는 것이 바람직하다.
S 340 단계에서는 압전 폴리머층에 전기장을 인가하여 분극시킨다. 도 5는 본 발명에 따른 압전 폴리머층에 전기장을 인가하여 분극시키는 과정을 도시한다. 이 경우 웨이퍼의 표면과 수평한 방향으로 전기장을 인가하여 분극을 시킨다.
S 350 단계에서는 압전 폴리머층 상에 전극층을 형성하며, 전극의 형성은 예를 들어 마스킹 공정을 이용할 수 있다. 또한, 예시적으로 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 360 단계에서는 기판에 식각 공정을 이용해 공동을 형성한다. 기판에서 이차원 압전 물질층이 형성된 면의 반대면을 식각한다. 기판에 식각 공정을 이용해 공동을 형성하는 단계는, 압전 폴리머층, 이차원 압전 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.
이하에서는 구체적인 실시예와 함께 본 발명의 내용을 추가적으로 설명하도록 하겠다.
실시예 1에서 전기적 폴링을 이용한 패시베이션 층(passivation layer) 분극제어 및 이를 통한 이차원 압전 물질층의 압전특성 향상을 확인하였다.
1) 스퍼터링을 이용한 대면적 MoS2(이황화몰리브덴) 합성
증착하고자 하는 기판을 세척한 후 타겟과 마주보도록 위치시킨 다음, 로터리 펌프를 이용하여 챔버 안을 5x10-3 torr 이하의 저진공상태로 만들어준다. 이후 터보펌프를 이용하여 10-6 torr 수준의 고진공 상태로 만들어주고, 초고순도 Ar 가스를 60sccm 넣어준다. 가스가 들어가면 일정 압력이 되도록 조절한다. 증착할 기판의 온도를 5분간 약 700℃까지 가열한다. 이후 타겟과 기판 사이의 셔터를 열어 증착을 시작한다. 성장시간은 증착하고자 하는 두께 또는 타겟의 종류에 따라 조절한다.(Layer당 50초) MoS2 성장이 끝나면 RF power를 차단시키고 Ar가스 주입을 차단한다. 진공상태를 유지하던 터보 펌프를 꺼준 후 챔버 내부를 상온까지 떨어지도록 자연냉각 시킨다.
스퍼터링을 완료한 샘플을 세라믹보트 중앙에 위치시킨 후 Quartz 튜브 중앙에 놓는다. 로터리 펌프를 이용하여 Quartz 튜브 안쪽을 진공상태로 만들어주고, 초고순도 Ar 가스를 80sccm 넣어준다. 가스가 들어가면 압력을 1Torr 로 조절한다. CVD 챔버 온도를 약 17분 동안 500℃까지 가열한 후, 30분간 유지시킨다. 30분 후 H2S 가스 5sccm을 넣고 압력은 계속 1Torr로 조절후, 약 17분 동안 1000℃까지 가열하여 약 30분 동안 성장시킨다. MoS2 성장이 끝나면 바로 H2S 가스를 주입을 차단하고 다시 압력을 1 torr로 맞춘 후 CVD를 상온까지 떨어지도록 자연냉각 시킨다.
2) MoS2 상부 압전 특성 및 내구도 향상을 위한 폴리머 코팅
압전 폴리머로 P(VDF-TrFE) (Poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) 류의 고유전 압전 폴리머 분말을 1~10wt%의 농도로 (N,N-dimethylformamide) 용매에 녹여 폴리머 용액을 형성하고, 전극이 증착된 MoS2 합성 웨이퍼를 스핀 코터(spin coater)에 진공흡착 시킨뒤 용액의 종류, 농도에 따른 조건으로 스핀 코팅(spin coating)을 진행하였다.
이때 Heat-Controlled Spin Coating(HCSC)를 이용하여 10~70℃의 열처리를 진행하고, 이후 핫 플레이트(Hot plate) 상부에 스핀 코팅이 완료된 웨이퍼를 놓고 65℃에서 18시간 100℃에서 2시간 소프트 베이킹(soft baking)을 진행하였다. 이후 오븐에서 140℃ 2시간 30분 열처리를 통해 결정성 및 상변환(phase transform)을 진행하였다.
이후 웨이퍼 표면과 수평한 방향으로 전기장을 인가해 폴리머의 분극(polarization)을 제어하였다.(전기장 세기 : 0.06V/nm)
3) 폴리머 상부 패터닝 및 전극 패드 형성
폴리머-이차원 압전 물질 이중층 구조 위 전극을 형성하기 위해 마스킹 공정을 이용한다. 이때, 정사각형의 크기와 각 정사각형간의 간격은 원하는 마이크 사이즈에 따라 조절가능하다.
4) 압전 폴리머가 이차원 압전 물질층 상의 코팅 유무에 따른 압전 특성
도 6은 압전 폴리머가 이차원 압전 물질 상으로의 코팅 유무에 따른 압전 특성의 결과를 비교한 도면이다. 도 6에서 보는 것처럼 압전 폴리머가 이차원 압전 물질 상에 코팅이 되지 아니한 경우(파란색 그래프)와 압전 폴리머가 이차원 압전 물질 상에 코팅이 된 경우(보라색 그래프)를 비교해보면 압전 폴리머가 이차원 압전 물질 상에 코팅이 되었을 때 압전 특성이 훨씬 향상됨을 확인할 수 있었다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (22)
- 공동을 포함하는 기판;
상기 공동을 커버하면서 상기 기판 상에 배치되는 진동판; 및
상기 진동판 상에 배치되는 전극층을 포함하고,
상기 진동판은 이차원 압전 물질층 및 압전 폴리머층의 이중층으로 이루어지며, 상기 기판 상에 상기 이차원 압전 물질층 및 상기 압전 폴리머층이 차례대로 적층된 형태이고,
음파 또는 초음파의 진동에 따른 전기 신호를 발생하는,
이중층 구조를 이용한 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 공동을 포함하는 기판 상에 절연층을 추가로 포함하는,
이중층 구조를 이용한 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 압전 폴리머층은 PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFE-CFE), P(VDF-TrFE-CTFE), P(VDF-TFE), P(VDF-HFA), P(VDF-TFE-HFP) 중 선택된 어느 하나 이상인,
이중층 구조를 이용한 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 압전 폴리머층은 표면에 수평한 방향을 따라 분극되어 있어 상기 소자의 압전 특성을 향상시키는,
이중층 구조를 이용한 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 압전 폴리머층은 상기 이차원 압전 물질층 상에 코팅되어 있어 상기 이차원 압전 물질층의 산화를 방지하여 압전 특성을 향상시키는,
이중층 구조를 이용한 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 이차원 압전 물질층은 전이금속 칼코게나이드, 알칼리토금속 산화물, 3-5족 화합물 중 어느 하나를 포함하는,
이중층 구조를 이용한 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 이차원 압전 물질층의 두께는 1 nm 이하인,
이중층 구조를 이용한 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 압전 폴리머층의 두께는 100nm 이하인,
이중층 구조를 이용한 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 소자는 MEMS 마이크로폰 또는 MEMS 센서로 이용 가능한,
이중층 구조를 이용한 소자.
- 기판을 준비하는 단계;
상기 기판의 일면에 이차원 압전 물질층을 형성하는 단계;
상기 이차원 압전 물질층 상에 압전 폴리머층을 형성하는 단계;
상기 압전 폴리머층에 전기장을 인가하여 분극시키는 단계;
상기 압전 폴리머층 상에 전극층을 형성하는 단계; 및
상기 기판에 식각 공정을 이용해 공동을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 이차원 압전 물질층 및 상기 압전 폴리머층은 이중층을 형성하고, 상기 이중층은 진동판 역할을 하는,
이중층 구조를 이용한 소자의 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 기판은 기판 상에 절연층을 추가로 포함하고,
상기 기판에 공동을 형성할 때 상기 기판 및 상기 절연층이 함께 식각될 수 있는,
이중층 구조를 이용한 소자의 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 기판의 일면에 이차원 압전 물질층을 형성하는 단계는 스퍼터링 공정에 의해 수행되는,
이중층 구조를 이용한 소자의 제조 방법.
- 제 12 항에 있어서,
상기 이차원 압전 물질층은 전이금속 칼코게나이드, 알칼리토금속 산화물, 3-5족 화합물 중 어느 하나인,
이중층 구조를 이용한 소자의 제조 방법.
- 제 12 항에 있어서,
상기 이차원 압전 물질층의 두께는 1 nm 이하인,
이중층 구조를 이용한 소자의 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 이차원 압전 물질층 상에 압전 폴리머층을 형성하는 단계는,
압전 폴리머 분말 및 용매를 혼합한 용액을 코팅한 후 열처리를 통해 수행되는,
이중층 구조를 이용한 소자의 제조 방법.
- 제 15 항에 있어서,
상기 압전 폴리머층은 PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFE-CFE), P(VDF-TrFE-CTFE), P(VDF-TFE), P(VDF-HFA), P(VDF-TFE-HFP) 중 선택된 어느 하나 이상인,
이중층 구조를 이용한 소자의 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 압전 폴리머층에 전기장을 인가하여 분극시키는 단계는,
상기 압전 폴리머층의 표면에 수평한 방향을 따라 전기장을 인가하여 분극시켜 수행되는,
이중층 구조를 이용한 소자의 제조 방법.
- 제 17 항에 있어서,
상기 압전 폴리머층의 분극에 의해 소자의 압전 특성을 향상되는,
이중층 구조를 이용한 소자의 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 압전 폴리머층을 상기 이차원 압전 물질층 상에 형성시켜 상기 이차원 압전 물질층의 산화를 방지하여 압전 특성이 향상되는,
이중층 구조를 이용한 소자의 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 압전 폴리머층의 두께는 100nm 이하인,
이중층 구조를 이용한 소자의 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 기판에 식각 공정을 이용해 공동을 형성하는 단계는,
상기 압전 폴리머층, 상기 이차원 압전 물질층 및 상기 전극이 형성된 표면에 보호층을 코팅한 후 식각이 이루어지는,
이중층 구조를 이용한 소자의 제조 방법.
- 제 10 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조되며,
MEMS 마이크로폰 또는 MEMS 센서로 이용 가능한,
이중층 구조를 이용한 소자.
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