WO2011078594A2 - 나노와이어를 이용하는 압저항 방식의 마이크로폰 및 그 제조방법 - Google Patents

나노와이어를 이용하는 압저항 방식의 마이크로폰 및 그 제조방법 Download PDF

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WO2011078594A2
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nanowire
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silicon
nanowires
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정석원
이민호
이국녕
성우경
이경일
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전자부품연구원
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers

Definitions

  • the present invention relates to a piezoresistive microphone using a nanowire and a method of manufacturing the same, and to a method of manufacturing a high sensitivity microphone using a piezoresistive effect of silicon nanowires.
  • EMC Electronic Condenser Microphone
  • Condenser Microphone Condenser Microphone
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a condenser microphone according to the prior art, in which the condenser microphone has a capacitor structure, and shows a change in capacitance caused by a change in diaphragm according to acoustic pressure. It is the principle of sensing.
  • This structure has the disadvantage of applying an external voltage (Vbias) to measure the change in capacitance, but has the advantages of easy integration with CMOS and wide frequency response in manufacturing.
  • Vbias external voltage
  • FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating another microphone according to the prior art, which is a microphone manufactured by a MEMS (Micro-Electro-Mechanical System, MEMS) process.
  • MEMS Micro-Electro-Mechanical System
  • the lower electrode 11 can move in accordance with the change in sound pressure It is formed on the thin membrane 12 so that the upper electrode 10 has a structure in which many holes 13 are drilled to free the flow of air so as not to move against the negative pressure.
  • the distance between the two parallel plate electrodes 10 and 11 is changed with respect to the sound pressure, and thus the capacitance of the parallel plate electrode is changed. By detecting this change, the magnitude of the sound pressure can be known. .
  • a very demanding manufacturing process such as a sacrificial layer process is required, and a circuit of a microphone using a change in capacitance is a piezoresistive microphone. More complex and difficult manufacturing process.
  • the present invention is to solve the problems of the prior art as described above, to provide a high-sensitivity microphone using the piezoresistive effect of the silicon nanowire that can simplify the sensing circuit and manufacturing process, and a method of manufacturing the same. .
  • the sensing unit silicon nanowires are formed in the center of the first substrate as a bridge-type structure, the membrane film is formed by coating with a polymer or silicon nitride film, by adjusting the thickness of the membrane film can be selected the operating pressure range, the sensing A dielectric may be embedded between the denier nanowires and the membrane membrane.
  • a material for forming the adhesive layer is preferably an adhesive material that can be patterned by a photolithography process, and the like, and benzocyclobutene (BCB) is used as an adhesive material that can be patterned by the photolithography process. It is desirable to.
  • the second substrate may be a silicon substrate or a glass substrate processed by a sand blast process to expose the electrode and the central sensing unit to the outside through a wet etching process or a silicon deep reactive ion etching (DRIE) process.
  • a sand blast process to expose the electrode and the central sensing unit to the outside through a wet etching process or a silicon deep reactive ion etching (DRIE) process.
  • DRIE deep reactive ion etching
  • the sensing unit nanowire is a first step of forming a first thermal oxide film on a silicon substrate; Forming a column structure on the silicon substrate; A third step of forming a support pillar structure and an inverted triangle structure for forming nanowires on the silicon substrate having a column structure; A fourth step of removing the first thermal oxide film; A fifth step of forming a second thermal oxide film on the silicon substrate; And a sixth step of removing the second thermal oxide film.
  • the sixth step is performed by wet etching using a buffered oxide etchant (BOE) or dry etching using HF vapor, and controlling the cross-sectional size of the nanowires controls the thickness of the second thermal oxide film formation.
  • BOE buffered oxide etchant
  • the support pillar structure has a structure connected to both ends of the nanowire, the support pillar structure and the nanowire connecting portion is characterized in that the stress is applied after the second thermal oxide film is concentrated.
  • the second step is a dry etching
  • the third step is preferably wet etching using an anisotropic etching solution.
  • the cross section of the nanowires prepared as described above is characterized by having an inverted triangle structure, and the length of the nanowires may be formed to several ⁇ m to several hundred ⁇ m.
  • a first step of forming a nanowire structure as a sensing unit on the first substrate A second step of forming an electrode layer on the first substrate bisected on the basis of the sensing unit; A third step of forming a membrane film with a structure exposing the electrode layer on the first substrate; A fourth step of forming an adhesive layer on the membrane film on the first substrate bisected based on the sensing unit; And a fifth step of attaching the etched second substrate on the adhesive layer to expose the electrode layer and the central sensing unit to the outside.
  • it provides a piezoresistive microphone manufacturing method using a nanowire comprising the step of etching the silicon body of the lower portion of the nanowire in the first substrate.
  • the first step of the sensing unit nanowire is characterized in that the bridge is formed of a structure, the third step of the membrane film is formed by coating with a polymer or silicon nitride film, the membrane film is a film thickness depending on the pressure range It can be formed by adjusting.
  • the adhesive layer of the fourth step may be formed of an adhesive material that can be patterned by a photolithography process, etc. It is preferable to use benzocyclobutene (BCB) as an adhesive material that can be patterned by the photolithography process.
  • BCB benzocyclobutene
  • the second substrate may be a silicon substrate or a glass substrate processed by a sand blast process to expose the electrode and the central sensing unit to the outside through a wet etching process or a silicon deep reactive ion etching (DRIE) process.
  • DRIE deep reactive ion etching
  • the present invention it is possible to use a very simple circuit in the form of a wheat-stone bridge in the sensing circuit because it is a microphone using a piezoresistive method, and it is necessary to manufacture a parallel plate electrode structure as in the conventional condenser microphone structure. There is no effect that the manufacturing process is simple and easy to manufacture.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a conventional condenser microphone.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating another existing microphone.
  • FIG 3 is a cross-sectional view illustrating a microphone using silicon nanowires according to an embodiment of the present invention.
  • Figures 4a to 4e is a process diagram showing a step of manufacturing a silicon nanowires according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4f is a perspective view showing a nanowire array manufactured as described above.
  • 5a to 5f are steps of a microphone manufacturing process using silicon nanowires according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a perspective view showing the front and back of the microphone structure using the nanowires produced through the process.
  • FIG. 7 is a graph showing the distribution of piezoresistive coefficients according to the size of silicon nanowires according to an embodiment of the present invention.
  • the present invention provides a semiconductor substrate comprising: a first substrate on which silicon nanowires, which are sensing portions, are formed in a central portion; An electrode layer formed on the first substrate bisected on the basis of the sensing unit; A membrane film formed on the first substrate and coated with a structure exposing the electrode layer; An adhesive layer formed on the membrane film on the substrate divided by the sensing unit; Provided is a piezoresistive microphone using a nanowire attached to the adhesive layer and including a second substrate etched to expose the electrode and the central sensing unit to the outside.
  • the microphone 100 is composed of a bridge-shaped silicon nanowire 21 floating in the air, an electrode layer 22 formed on a first substrate, and a membrane film 23.
  • the silicon substrate 20 is processed to fabricate a bridge-type nanowire 21 structure, and then a membrane film is formed thereon.
  • the operating principle of the microphone 100 is that when the negative pressure is applied to the membrane membrane 23, the silicon nanowires (21) attached to the membrane membrane 23 is reduced or stretched together, the nanowires 21 Mechanical stress is applied, which causes the resistance of the silicon nanowires 21 to be changed, that is, to detect sound pressure using a piezoresistive effect.
  • the advantage of the microphone using the nanowire according to the present invention is that it is not necessary to fabricate a parallel plate electrode structure as in the conventional condenser type microphone structure, and thus does not include a difficult process such as a sacrificial layer process.
  • the manufacturing process is simple because it is very simple. Also, because it is a microphone using piezoresistive type, a very simple circuit of wheat-stone bridge type can be used for sensing circuit.
  • Figures 4a to 4e is a process diagram showing a step of manufacturing a silicon nanowires according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4f is a perspective view showing a nanowire array manufactured as described above.
  • the first thermal oxide film is thermally oxidized deposited on a silicon substrate having a crystal structure of (100) direction (FIG. 4a), and etched by a photolithography process The portion of the oxide film to be removed is removed (Fig. 4B).
  • the line width of the mask pattern for the silicon nanowires is 0.4 ⁇ m to 2 ⁇ m, and the pattern may be formed by using a photolithography process without the use of e-beam lithography.
  • the column structure 320 is formed through silicon anisotropic etching by a silicon dry etching process such as a deep-RIE process.
  • the silicon substrate 300 is wet etched using the silicon anisotropic etching solution such as KOH in the formed columnar structure 320.
  • the silicon structure 360 is formed into an inverted triangle structure having a predetermined slope in cross section.
  • the silicon substrate 300 is secondary thermally oxidized to manufacture the silicon nanowires 350 having a diameter of several tens of nm. 4D, the diameter of the silicon nanowires 350 may be adjusted to about several tens of nm by adjusting the time of the secondary thermal oxidation process.
  • the second thermal oxide film 330 formed by the second thermal oxidation of the silicon 300 is removed by a wet etching method using a buffered oxide etchant (BOE) or a dry etching method using HF vapor. Silicon nanowires 350 of several micrometers to several hundred micrometers in length having a diameter of nm are obtained. (FIG. 4E)
  • the silicon nanowires 350 are free standing when the secondary silicon oxide layer 330 is removed, the silicon nanowires 350 are lost or damaged while the second thermal oxide layer 330 is removed. Both ends of the silicon nanowires 350 are formed as the support pillar structure 340 to prevent them from being fixed.
  • the support pillar structure 340 has a width wider than the line width of the silicon nanowires 350 and thus remains stable on the silicon substrate 300 even after the second thermal oxide film 330 is removed.
  • the size of the support pillar structure 340 should be wider than the line width of the silicon nanowires 350, and it is preferable to make it as large as possible to maintain a wide contact area with the second substrate in the substrate bonding process described later. Do.
  • the distance between the silicon substrate 300 and the silicon nanowires 350 positioned on the substrate is preferably several tens of nm to several ⁇ m, and the distance is between the depth of the dry-etched column structure 320 and the nanowire structure 360. It is preferably determined by the degree of etching of the silicon substrate 300 through the wet etching used during formation. When the silicon nanowires 350 are used later, the silicon nanowires 350 should preferably have resistance and conductivity, and the resistance and conductivity can be adjusted according to the type and doping concentration of impurities injected into the silicon substrate 300. . (FIG. 4F)
  • 5a to 5f are steps of a microphone manufacturing process using silicon nanowires according to an embodiment of the present invention.
  • 5A illustrates the substrate 200 on which the silicon nanowire structure 201 is formed as described above, and forms the electrode layer 202 on the first substrate 200 on which the nanowire structure 201 is formed.
  • the electrode layer 202 detects sound pressure using a piezoresistive effect, in which resistance of silicon nanowires is changed due to mechanical stress applied to the nanowires.
  • a thin membrane film 203 is formed on the first substrate on which the electrode layer is formed.
  • the membrane film 203 is formed by coating a thin film using a polymer or silicon nitride film. 5C, however, as shown in the drawing, the electrode layer 202 forms the membrane film 203 so that a portion thereof is exposed.
  • the thickness of the membrane membrane 203 determines the range of sound pressure to be sensed. For example, the thinner the polymer constituting the membrane membrane, the better the reaction at low sound pressure, but the thicker the polymer is insensitive to low sound pressure. Therefore, it can be used as a pressure sensor by forming an appropriate thickness using this.
  • an adhesive layer 204 is formed to adhere the second substrate 205.
  • the adhesive layer 204 is formed on the membrane film on the first substrate divided by the sensing unit, and is careful not to form the sensing layer and the electrode layer.
  • the adhesive material constituting the adhesive layer 204 it is preferable to use an adhesive material that can be patterned by a photolithography process, and the like, and it is preferable to use BCB (benzocyclobutene, benzocyclobutene) as such a material.
  • the second substrate 205 is a substrate through which a specific portion is etched to expose the electrode and the sensing part of the center to the outside, which is manufactured by a sand blast method using a glass substrate, or wet etching or DRIE using a silicon substrate. It is prepared by etching through a process or the like.
  • a bonding process of a substrate prepared separately from a nanowire substrate two substrates are aligned and then bonded by applying an appropriate temperature and pressure.
  • a wafer bonding apparatus is usually used.
  • the body of silicon under the nanowires is etched.
  • the reason for etching as described above is that the electrical path connecting the silicon bodies on both the left and right sides of the nanowire is only possible through the silicon nanowire, and the etched body is supported by the second substrate.
  • Figure 6 is a perspective view showing the front and back of the microphone structure using the nanowires produced through the process.
  • the thin membrane 400 and the silicon nanowires 401 are exposed on the sensing unit in the center of the first substrate 403, and when the negative pressure is applied, the membranes and the silicon nanowires are bent through the electrode layer 402. It can be seen that the piezoresistive microphone measures the electrode.
  • the back side shows that both ends of the silicon body are completely bisected, so that the current flows only through the nanowires between the two electrodes.As a negative pressure is applied, only the resistance change due to the piezoresistive effect of the nanowires is between the two electrodes. It can be seen that it affects the current change of the bisected silicon body is supported by the second substrate described above will have a safe structure.
  • FIG. 7 is a graph showing the distribution of piezoresistive coefficients according to the size of silicon nanowires.
  • the longitudinal piezoresistance coefficient increases rapidly while the transverse piezoresistance coefficient increases.
  • (longitudinal piezoresistance coefficient) is a sharp increase in the combined value of the piezoresistance coefficient is greatly increased, it is expected that a high sensitivity sensor can be realized when manufacturing a microphone and a pressure sensor using the piezoresistive effect of silicon nanowires.
  • the microphone structure using the silicon nanowire according to the present invention can be equally applied to a general pressure sensor for a fluid because it is a sensor that responds to negative pressure, that is, pressure. That is, by adjusting the thickness of the membrane film to be coated in the microphone manufacturing process according to the invention it is possible to select the use pressure range. That is, by thickening the membrane membrane it is possible to manufacture a pressure sensor that can be used in a relatively high pressure range, on the contrary, the thinner the membrane of the membrane it is possible to manufacture a pressure sensor that can be used in a lower pressure range. Therefore, it is possible to use as a pressure sensor just by changing the membrane of the membrane in the structure of the microphone according to the present invention.
  • the membrane of the membrane may be applied to an acceleration sensor, an angular velocity sensor, or a gyroscope.

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Abstract

본 발명은 나노와이어를 이용하는 압저항 방식의 마이크로폰 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 센싱부인 실리콘 나노와이어가 중앙부에 형성되어 있고, 상기 나노와이어 하부 실리콘 몸체는 식각되어 있는 제 1 기판; 상기 센싱부를 기준으로 양분된 제 1 기판 상에 형성된 전극층; 상기 제 1 기판 상에 형성되고, 상기 전극층을 노출시키는 구조로 코팅되어 있는 멤브레인 막; 상기 센싱부를 기준으로 양분된 기판 상의 멤브레인 막에 형성되는 접착층; 상기 접착층 상에 부착되며, 상기 전극 및 중앙 센싱부가 외부로 노출되도록 식각된 제 2 기판을 포함하는 나노와이어를 이용한 압저항 방식의 마이크로폰에 관한 것이다.

Description

나노와이어를 이용하는 압저항 방식의 마이크로폰 및 그 제조방법
본 발명은 나노와이어를 이용하는 압저항 방식의 마이크로폰 및 그 제조방법에 관한 것으로, 실리콘 나노와이어의 압저항 효과(Piezoresistive effect)를 이용하는 고감도 마이크로폰의 제조 방법에 관한 것이다.
현재 마이크로폰(Microphone)에서 많이 사용하고 있는 종류는 EMC(Electret Condenser Microphone)와 콘덴서 마이크로폰(Condenser Microphone) 장치이다.
도 1은 종래 기술에 따른 콘덴서 마이크로폰을 설명하기 위한 개념도로서, 콘덴서 마이크로폰은 캐패시터 구조를 갖고 있으며, 음압(Acoustic Pressure)에 따라 다이아프램(Diaphragm)의 변화로 인해 나타나는 캐패시턴스(Capacitance)값의 변화를 감지하는 원리이다. 이 구조의 경우, 캐패시턴스(Capacitance)의 변화를 측정하기 위해 외부 전압(Vbias)를 인가해야 하는 단점이 있지만, 제조상 CMOS와 집적이 용이하고 넓은 주파수 응답특성의 장점을 가지고 있다.
도 2는 종래 기술에 따른 다른 마이크로폰을 설명하기 위한 개념도로서, 이 마이크로폰은 멤즈(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS) 공정으로 제작된 마이크로폰이다. 상기 도면과 같이, 기본적으로는 상부 전극(10)과 하부 전극(11) 사이에는 아무 물질로도 채워져 있지 않은 평행판 전극의 형태로 되어 있으며, 하부 전극(11)은 음압의 변화에 따라 움직일 수 있도록 얇은 멤브레인(12) 위에 형성되어 있고 상부 전극(10)은 음압에 대해 움직이지 않도록 하기 위해 공기의 흐름이 자유롭도록 많은 구멍(13)이 뚫려있어 구조로 되어 있다.
상기 마이크로폰의 센싱 방식은 음압에 대해 두 평행판 전극(10, 11)의 간격이 변하게 되며 이로 인해 평행판 전극의 정전용량(capacitance)이 변화하게 되는데 이 변화를 감지함으로써 음압의 크기를 알 수 있다. 그러나, 상기 도면과 같이 얇은 membrane(12) 위에 텅 비어 있는 평행판 전극 구조를 제작하기 위해 희생층 공정 등 매우 까다로운 제조 공정이 필요하고, 정전용량의 변화를 이용하는 마이크로폰의 회로는 압저항 방식의 마이크로폰보다 복잡하고, 제조공정이 까다로운 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 센싱 회로 및 제조공정을 간단하게 할 수 있는 실리콘 나노와이어의 압저항 효과(Piezoresistive effect)를 이용하는 고감도 마이크로폰 및 그 제조방법을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
센싱부인 실리콘 나노와이어가 중앙부에 형성되어 있고, 상기 나노와이어 하부 실리콘 몸체는 식각되어 있는 제 1 기판; 상기 센싱부를 기준으로 양분된 제 1 기판 상에 형성된 전극층; 상기 제 1 기판 상에 형성되고, 상기 전극층을 노출시키는 구조로 코팅되어 있는 멤브레인 막; 상기 센싱부를 기준으로 양분된 기판 상의 멤브레인 막에 형성되는 접착층; 상기 접착층 상에 부착되며, 상기 전극 및 중앙 센싱부가 외부로 노출되도록 식각된 제 2 기판을 포함하는 나노와이어를 이용한 압저항 방식의 마이크로폰을 제공한다.
상기 센싱부인 실리콘 나노와이어는 브릿지 형태의 구조물로 제 1 기판의 중앙부에 형성되고, 상기 멤브레인 막은 폴리머 또는 실리콘 질화막으로 코팅시켜 형성시키는데, 상기 멤브레인 막의 두께를 조절하여 사용 압력 범위을 선택할 수 있으며, 상기 센싱부인 나노와이어와 상기 멤브레인 막 사이에는 유전체를 매립할 수도 있다.
본 발명에 따른 마이크로폰에서 상기 접착층을 형성하는 물질은 사진식각 공정 등으로 패터닝이 가능한 접착물질을 사용하는 것이 바람직한데, 상기 사진식각 공정등으로 패터닝이 가능한 접착물질로 벤조시클로부텐(BCB)를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 제 2 기판은 습식식각 또는 실리콘 DRIE(deep reactive ion etching) 공정을 통하여 상기 전극 및 상기 중앙 센싱부가 외부로 노출되도록 하는 실리콘 기판 또는 샌드 브라스트(sand blast)공법에 의해 가공된 글라스 기판을 사용할 수 있다.
본 발명의 나노와이어를 이용하는 마이크로폰에 있어서, 상기 센싱부인 나노와이어는 실리콘 기판에 제 1 열산화막을 형성하는 제 1 단계; 상기 실리콘 기판에 칼럼구조를 형성하는 제 2 단계; 칼럼구조가 형성된 상기 실리콘 기판에 지지기둥 구조물 및 나노와이어 형성을 위한 역삼각형 구조물을 형성하는 제 3 단계; 상기 제 1 열산화막을 제거하는 제 4 단계; 상기 실리콘 기판에 제 2 열산화막을 형성하는 제 5 단계; 및 상기 제 2 열산화막을 제거하는 제 6 단계를 포함하는 단계로 제조된다.
특히, 상기 제 6 단계는 BOE(buffered oxide etchant)에 의한 습식식각 또는 HF 증기(vapor)를 이용한 건식식각 공정을 통해 이루어지며, 상기 나노와이어의 단면 크기 조절은 상기 제 2 열산화막 형성 두께를 조절함으로써 이루어진다. 또한, 상기 지지기둥 구조물은 상기 나노와이어의 양쪽끝에 연결된 구조를 가지며, 상기 지지기둥 구조물과 나노와이어 연결부분은 제 2 열산화막 제거후 스트레스가 집중되어 가해지는 것을 특징으로 한다.
나노와이어를 제조하는 방법에 있어서, 상기 제 2 단계는 건식식각으로 이루어지며, 상기 제 3 단계는 이방성 식각 용액을 사용하여 습식식각하는 것이 바람직하다. 상기와 같이 제조된 나노와이어의 단면은 역삼각형 구조인 것을 특징으로 하며, 상기 나노와이어의 길이는 수 ㎛ 내지 수백 ㎛로 형성시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 제 1 기판에 센싱부인 나노와이어 구조물을 형성시키는 제 1 단계; 상기 센싱부를 기준으로 양분된 상기 제 1 기판 상에 전극층을 형성시키는 제 2 단계; 상기 제 1 기판 상에 상기 전극층을 노출시키는 구조로 멤브레인 막을 형성시키는 제 3 단계; 상기 센싱부를 기준으로 양분된 상기 제 1 기판 상의 멤브레인 막 상부에 접착층을 형성시키는 제 4 단계; 및 상기 전극층 및 중앙 센싱부가 외부로 노출되도록 식각된 제 2 기판을 상기 접착층 상에 부착시키는 제 5 단계; 및 상기 제 1 기판에서 상기 나노와이어 하부의 실리콘 몸체를 식각하는 단계를 포함하는 나노와이어를 이용한 압저항 방식의 마이크로폰 제조방법을 제공한다.
상기 제 1 단계의 센싱부인 나노와이어는 브리지 형태의 구조물로 형성시키는 것을 특징으로 하며, 상기 제 3 단계의 멤브레인 막은 폴리머 또는 실리콘 질화막으로 코팅시켜 형성시키는데, 상기 멤브레인 막은 사용 압력 범위에 따라 막의 두께를 조절하여 형성시킬 수 있다.
상기 제 4 단계의 접착층은 사진식각 공정 등으로 패터닝이 가능한 접착물질로 형성시키는 것을 특징으로 하는데, 상기 사진식각 공정등으로 패터닝이 가능한 접착물질로 벤조시클로부텐(BCB)를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 제 2 기판은 습식식각 또는 실리콘 DRIE(deep reactive ion etching) 공정을 통하여 상기 전극 및 상기 중앙 센싱부가 외부로 노출되도록 하는 실리콘 기판 또는 샌스 브라스트(sand blast)공법에 의해 가공된 글라스 기판을 사용하여 나노와이어를 이용한 압저항 방식의 마이크로폰을 제조한다.
본 발명에 따르면, 압저항 방식을 이용한 마이크로폰이기 때문에 센싱 회로에 있어서 wheat-stone bridge 형태의 아주 단순한 회로를 이용할 수 있을 뿐 아니라, 기존의 콘덴서형 마이크로폰 구조에서와 같이 평행판 전극 구조를 제작할 필요가 없기 때문에 제조 공정이 단순하여 제작이 용이한 효과가 있다.
도 1은 기존의 콘덴서 마이크로폰을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 기존의 다른 마이크로폰을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 나노와이어를 이용한 마이크로폰을 나타내는 단면도이다.
도 4a 내지 4e는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 나노와이어 제조공정을 단계별로 나타낸 공정도이고, 도 4f는 상기와 같이 제작된 나노와이어 어레이를 나타내는 사시도이다.
도 5a 내지 5f는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 나노와이어를 이용한 마이크로폰 제조공정에 대한 단계도이다.
도 6는 상기 공정을 통해 제작된 나노와이어를 이용한 마이크로폰 구조의 정면 및 뒷면을 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 나노와이어의 크기에 따른 압저항 계수의 분포를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 센싱부인 실리콘 나노와이어가 중앙부에 형성되어 있는 제 1 기판; 상기 센싱부를 기준으로 양분된 제 1 기판 상에 형성된 전극층; 상기 제 1 기판 상에 형성되고, 상기 전극층을 노출시키는 구조로 코팅되어 있는 멤브레인 막; 상기 센싱부를 기준으로 양분된 기판 상의 멤브레인 막에 형성되는 접착층; 상기 접착층 상에 부착되며, 상기 전극 및 중앙 센싱부가 외부로 노출되도록 식각된 제 2 기판을 포함하는 나노와이어를 이용한 압저항 방식의 마이크로폰을 제공한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 나노와이어를 이용한 마이크로폰을 나타내는 단면도이다. 상기 마이크로폰(100)은 공중에 떠 있는 브릿지 형태의 실리콘 나노와이어(21), 제 1 기판 상에 형성된 전극층(22), 멤브레인 막(23)으로 구성되어 있다.
상기 도 3에 나와 있는 것과 같이, 실리콘 기판(20)을 가공하여 다리(bridge)형태의 나노와이어(21) 구조물을 제작한 후 그 위에 멤브레인 막을 형성시킨 구조이다. 상기 마이크로폰(100)의 작동원리는 음압이 가해지면 멤브레인 막(23)이 움직이고, 이 때 멤브레인 막(23)에 붙어있는 실리콘 나노와이어(21)가 같이 줄어들거나 늘어나게 되는데, 나노와이어(21)에 기계적인 스트레스가 가해지게 되는데 이로 인해 실리콘 나노와이어(21)의 저항이 변하는, 즉 압저항 효과를 이용하여 음압을 감지하게 된다.
상기와 같이 본 발명에 따른 나노와이어를 이용한 마이크로폰의 장점은 기존의 콘덴서형 마이크로폰 구조에서와 같이 평행판 전극 구조를 제작할 필요가 없기 때문에 희생층 공정과 같은 어려운 공정이 포함되어 있지 않으며, 전극구조도 아주 단순하기 때문에 제조 공정이 단순하다. 또한 압저항 방식을 이용한 마이크로폰이기 때문에 센싱 회로에 있어서 wheat-stone bridge 형태의 아주 단순한 회로를 이용할 수 있다.
먼저, 상기 실리콘 나노와이어 제조공정에 대해서 상세히 설명한다.
도 4a 내지 4e는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 나노와이어 제조공정을 단계별로 나타낸 공정도이고, 도 4f는 상기와 같이 제작된 나노와이어 어레이를 나타내는 사시도이다.
상기 도면을 참조하면, 실리콘 웨이퍼를 식각하여 실리콘 나노와이어를 제조하는 것으로, 결정구조가 (100) 방향을 갖는 실리콘 기판에 제 1 열산화막을 열산화 증착시키고(도 4a), 사진식각 공정으로 식각할 부분의 산화막을 제거한다(도 4b). 실리콘 나노와이어를 위한 마스크 패턴의 선폭은 0.4㎛ 내지 2㎛ 이며, 전자빔 리소그라피(e-beam lithography)를 사용할 필요없이 사진식각 공정을 이용하여 패턴을 형성할 수 있다.
deep-RIE 공정과 같은 실리콘 건식식각 공정으로 실리콘 이방성 식각을 통해 칼럼구조(320)를 형성한다. 다음으로, 형성된 칼럼구조(320)에 KOH 등의 실리콘 이방성 식각 용액을 이용하여 실리콘 기판(300)을 습식식각한다. (도 4c) 습식식각을 통해 실리콘 기판(300)의 (100) 결정 방향의 식각 특성으로 인해 실리콘 구조물(360)은 단면이 소정의 경사를 갖는 역삼각형 구조로 형성된다.
실리콘 습식식각이 완료되고 산화막(310)을 제거한 후 수십 ㎚ 크기의 직경을 갖는 실리콘 나노와이어(350)를 제조하기 위해 실리콘 기판(300)을 2차 열산화시킨다. (도 4d) 상기 2차 열산화 공정의 시간을 조절함으로써 실리콘 나노와이어(350)의 직경을 수십 ㎚ 정도로 조절할 수 있게 된다.
마지막으로 실리콘(300)이 2차 열산화되어 생성된 제 2 열산화막(330)을 BOE(buffered oxide etchant)에 의한 습식 식각방법 또는 HF 증기(vapor)를 이용한 건식 식각방법을 이용하여 제거함으로써 수십 ㎚ 크기의 직경을 갖는 수 ㎛ 내지 수백 ㎛ 길이의 실리콘 나노와이어(350)를 얻는다. (도 4e)
실리콘 나노와이어(350)는 2차 실리콘 산화막(330)이 제거되면 공중에 떠 있는 구조(free standing)가 되기 때문에 제 2 열산화막(330)을 제거하는 동안 실리콘 나노와이어(350)가 소실되거나 손상되지 않도록 고정시키기 위해 실리콘나노와이어(350)의 양쪽 끝단을 지지기둥 구조물(340)로 형성시킨다. 상기 지지기둥 구조물(340)은 실리콘 나노와이어(350)의 선폭보다 넓은 폭을 가짐으로써 제 2 열산화막(330)을 제거한 후에도 실리콘 기판(300)에 안정적으로 남아 있게 된다.
상기 지지기둥 구조물(340)의 크기는 실리콘 나노와이어(350)의 선폭보다는 넓은 폭을 가지도록 해야 하며, 후술하는 기판 접착 과정에서 제 2 기판과의 넓은 접촉면적을 유지할 수 있도록 가능한 크게 하는 것이 바람직하다.
상기 실리콘 기판(300)과 기판의 상부에 위치하는 실리콘 나노와이어(350) 사이의 거리는 수십 ㎚ 내지 수 ㎛가 바람직하며, 상기 거리는 건식식각된 칼럼구조(320)의 깊이와 나노와이어 구조물(360) 형성시 이용한 습식식각을 통한 실리콘 기판(300)의 식각 정도에 의해 결정됨이 바람직하다. 추후 실리콘 나노와이어(350) 사용시 실리콘 나노와이어(350)는 저항 및 전도성을 가져야 함이 바람직하고, 이러한 저항및 전도성은 실리콘 기판(300)에 주입되는 불순물의 종류와 도핑 농도에 따라 조절이 가능하다. (도 4f)
다음으로, 상기의 제조공정으로 제작된 실리콘 나노와이어 구조물에 추가 공정을 통해 마이크로폰을 제작하는 공정에 대해서 설명한다.
도 5a 내지 5f는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 나노와이어를 이용한 마이크로폰 제조공정에 대한 단계도이다.
도 5a는 상기에서 설명한 것과 같이 실리콘 나노와이어 구조물(201)이 형성된 기판(200)을 나타내고 있으며, 상기 나노와이어 구조물(201)이 형성된 제 1 기판(200)에 전극층(202)을 형성한다. (도 5b) 상기 전극층(202)은 나노와이어에 가해지는 기계적인 스트레스로 인해 실리콘 나노와이어의 저항이 변하는, 즉 압저항 효과를 이용하여 음압을 감지하는 기능을 한다.
다음으로, 전극층이 형성된 상기 제 1 기판상에 얇은 멤브레인 막(203)을 형성시키는데, 상기 멤브레인 막(203)으로는 폴리머 또는 실리콘 질화막 등을 사용하여 얇은 막으로 코팅하여 형성시킨다. (도 5c) 다만, 도면에서와 같이 상기 전극층(202)은 일부분이 노출되도록 상기 멤브레인 막(203)을 형성한다. 상기 멤브레인 막(203)의 두께에 따라 센싱하는 음압의 범위가 결정되는데, 예를 들어 상기 멤브레인 막을 구성하는 폴리머가 얇을수록 낮은 음압에서도 잘 반응하지만, 상기 폴리머가 두꺼우면 낮은 음압에는 둔감해지는 현상이 생기므로, 이를 이용하여 적절한 두께로 형성시켜 압력센서로도 사용할 수 있다.
다음으로 도 5d 및 5e를 참조하면, 상기 멤브레인 막(203)을 형성시킨 후, 제 2 기판(205)을 접착시키기 위해 접착층(204)을 형성시킨다. 상기 접착층(204)은 도면에서 보는 것과 같이, 센싱부를 기준으로 양분된 제 1 기판 상의 멤브레인 막 상부에 형성시키며, 센싱부 및 전극층 상에 형성시키지 않도록 주의한다. 상기 접착층(204)을 구성하는 접착물질은 사진식각 공정 등으로 패터닝이 가능한 접착물질을 사용하는 것이 바람직하며, 이러한 물질로는 BCB(벤조시클로부텐, benzocyclobutene)을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 제 2 기판(205)은 전극 및 중앙의 센싱 부위가 외부로 노출되도록 특정 부분이 관통 식각된 기판이며, 이는 glass 기판을 이용하여 sand blast 공법 등으로 제작하거나 실리콘 기판을 이용하여 습식식각 또는 DRIE 공정 등으로 관통 식각하여 준비한다.
도 5e를 참조하면, 나노와이어 기판과 별도로 준비된 기판의 접착 공정으로서 두 기판을 정렬한 후 적당한 온도 및 압력을 가하여 접착하게 되는데 보통 웨이퍼 본딩 장비를 이용한다.
도 5f를 참조하면, 두 기판이 접착된 후에는 나노와이어 밑에 놓인 실리콘의 몸체를 식각한다. 상기와 같이 식각하는 이유는 나노와이어 좌우 양쪽의 실리콘 body를 잇는 전기적인 통로는 오로지 실리콘 나노와이어를 통해서만 가능하도록 해주기 위해서이고, 이와 같이 식각된 몸체는 상기 제 2 기판에 의해 지지된다.
도 6는 상기 공정을 통해 제작된 나노와이어를 이용한 마이크로폰 구조의 정면 및 뒷면을 나타내는 사시도이다.
상기 도면에서와 같이, 제 1 기판(403) 중앙의 센싱부 위에는 얇은 멤브레인(400)과 실리콘 나노와이어(401)가 노출되어 있어서 음압이 가해질 때 멤브레인과 실리콘 나노와이어가 휘어져 전극층(402)을 통해 전극을 측정하는 압저항 방식의 마이크로폰임을 알 수 있다.
또한, 뒷면을 보면 실리콘 body 양단은 완전히 양분되어 있기 때문에 둘 사이에는 나노와이어를 통해서만 전류가 흐르게 됨을 알 수 있으며, 음압이 가해짐에 따라 나노와이어의 압저항 효과에 따른 저항 변화만이 두 전극 사이의 전류변화에 영향을 주는 것을 알 수 있으며, 상기 양분된 실리콘 바디는 상기에서 설명한 제 2 기판에 의해 지지되어 안전한 구조를 가지게 된다.
도 7은 실리콘 나노와이어의 크기에 따른 압저항 계수의 분포를 나타내는 그래프이다.
상기 그래프에 따르면, 실리콘 나노와이어의 단면적이 104 nm2 (정사각형 크기로 환산하면 100nm X 100nm 수준) 이하로 줄어들면 길이방향 압저항 계수(longitudinal piezoresistance coefficient)는 급격히 증가하는 반면 횡방향 압저항 계수(longitudinal piezoresistance coefficient)는 급격히 감소함으로 인해 압저항 계수의 합산 값이 크게 증가하기 때문에, 실리콘 나노와이어의 압저항 효과를 이용하여 마이크로폰 및 압력센서 등을 제작할 경우 고감도 센서의 구현이 가능할 것으로 기대된다.
본 발명에 의한 실리콘 나노와이어를 이용한 마이크로폰 구조는 음압, 즉 압력에 반응하는 센서이기 때문에 일반적인 유체용 압력센서에도 동일하게 적용할 수 있다. 즉, 본 발명에 의한 마이크로폰 제조 공정에서 코팅하는 멤브레인 막의 두께를 조절함으로써 사용 압력 범위의 선택이 가능하다. 즉, 멤브레인 막을 두껍게 하면 비교적 높은 압력 범위에서 사용 가능한 압력센서의 제작이 가능하며, 반대로 멤브레인의 막을 얇게 할수록 낮은 압력 범위에서 사용 가능한 압력센서의 제작이 가능하다. 따라서, 본 발명에 의한 마이크로폰의 구조중에서 멤브레인의 막을 바꿔주기만 하면 바로 압력센서로 사용이 가능해진다.
또한, 본 발명에 의한 실리콘 나노와이어를 이용한 마이크로폰 구조에서 멤브레인의 막을 없애고 다른 기계적인 구조물을 적절히 조합하면 가속도 센서, 각속도 센서 또는 gyroscope에 응용이 가능하다
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (25)

  1. 센싱부인 실리콘 나노와이어가 중앙부에 형성되어 있고, 상기 나노와이어 하부의 실리콘 몸체는 식각된 제 1 기판;
    상기 센싱부를 기준으로 양분된 제 1 기판 상에 형성된 전극층;
    상기 제 1 기판 상에 형성되고, 상기 전극층을 노출시키는 구조로 코팅되어 있는 멤브레인 막;
    상기 센싱부를 기준으로 양분된 기판 상의 멤브레인 막에 형성되는 접착층; 및
    상기 접착층 상에 부착되며, 상기 전극 및 중앙 센싱부가 외부로 노출되도록 식각된 제 2 기판을 포함하는 나노와이어를 이용한 압저항 방식의 마이크로폰.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 센싱부인 실리콘 나노와이어는 브릿지 형태의 구조물로 제 1 기판의 중앙부에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 압저항 방식의 마이크로폰.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 멤브레인 막은 폴리머 또는 실리콘 질화막으로 코팅시켜 형성시킨 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 압저항 방식의 마이크로폰.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 멤브레인 막의 두께를 조절하여 사용 압력 범위을 선택할 수 있는 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 압저항 방식의 마이크로폰.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 접착층을 형성하는 물질은 사진식각 공정 등으로 패터닝이 가능한 접착물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 압저항 방식의 마이크로폰.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 사진식각 공정등으로 패터닝이 가능한 접착물질로 벤조시클로부텐(BCB)를 사용하는 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 압저항 방식의 마이크로폰.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 2 기판은 습식식각 또는 DIRE(deep reactive ion etching) 공정을 통하여 상기 전극 및 상기 중앙 센싱부가 외부로 노출되도록 하는 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 압저항 방식의 마이크로폰.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 2 기판은 샌드 브라스트(sand blast)공법에 의해 가공된 글라스 기판인 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 압저항 방식의 마이크로폰.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 센싱부인 나노와이어와 상기 멤브레인 막 사이에는 유전체가 매립되어 있는 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 압저항 방식의 마이크로폰.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 센싱부인 나노와이어는
    실리콘 기판에 제 1 열산화막을 형성하는 제 1 단계;
    상기 실리콘 기판에 칼럼구조를 형성하는 제 2 단계;
    칼럼구조가 형성된 상기 실리콘 기판에 지지기둥 구조물 및 나노와이어 형성을 위한 역삼각형의 실리콘 구조물을 형성하는 제 3 단계;
    상기 제 1 열산화막을 제거하는 제 4 단계;
    상기 실리콘 기판에 제 2 열산화막을 형성하는 제 5 단계; 및
    상기 제 2 열산화막을 제거하는 제 6 단계를 포함하는 단계로 제조되는 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 압저항 방식의 마이크로폰.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제 6 단계는 BOE(buffered oxide etchant)에 의한 습식식각 또는 HF 증기(vapor)를 이용한 건식식각을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 압저항 방식의 마이크로폰.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 나노와이어의 단면 크기 조절은 상기 제 2 열산화막 형성 두께를 조절함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 압저항 방식의 마이크로폰.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 지지기둥 구조물은 상기 나노와이어의 양쪽끝이 연결된 구조인 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 압저항 방식의 마이크로폰.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 지지기둥 구조물과 나노와이어 연결부분은 제 2 열산화막 제거후 스트레스가 집중되어 가해지는 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 압저항 방식의 마이크로폰.
  15. 청구항 10에 있어서,
    상기 제 2 단계는 건식식각으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 압저항 방식의 마이크로폰.
  16. 청구항 10에 있어서,
    상기 제 3 단계는 이방성 식각 용액을 사용하여 습식식각하는 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 압저항 방식의 마이크로폰.
  17. 청구항 10에 있어서,
    상기 나노와이어의 단면은 역삼각형 구조인 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 압저항 방식의 마이크로폰.
  18. 청구항 10에 있어서,
    상기 나노와이어의 길이는 수 ㎛ 내지 수백 ㎛로 형성시킨 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 압저항 방식의 마이크로폰.
  19. 제 1 기판에 센싱부인 나노와이어 구조물을 형성시키는 제 1 단계;
    상기 센싱부를 기준으로 양분된 상기 제 1 기판 상에 전극층을 형성시키는 제 2 단계;
    상기 제 1 기판 상에 상기 전극층을 노출시키는 구조로 멤브레인 막을 형성시키는 제 3 단계;
    상기 센싱부를 기준으로 양분된 상기 제 1 기판 상의 멤브레인 막 상부에 접착층을 형성시키는 제 4 단계;
    상기 전극층 및 중앙 센싱부가 외부로 노출되도록 식각된 제 2 기판을 상기 접착층 상에 부착시키는 제 5 단계; 및
    상기 제 1 기판에서 상기 나노와이어 하부의 실리콘 몸체를 식각하는 단계를 포함하는 나노와이어를 이용한 압저항 방식의 마이크로폰 제조방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 제 1 단계의 센싱부인 나노와이어는 브리지 형태의 구조물로 형성시키는 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 압저항 방식의 마이크로폰 제조방법.
  21. 청구항 19에 있어서,
    상기 제 3 단계의 멤브레인 막은 폴리머 또는 실리콘 질화막으로 코팅시켜 형성시키는 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 압저항 방식의 마이크로폰 제조방법.
  22. 청구항 19에 있어서,
    상기 제 3 단계의 멤브레인 막은 사용 압력 범위에 따라 막의 두께를 조절하여 형성시키는 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 압저항 방식의 마이크로폰 제조방법.
  23. 청구항 19에 있어서,
    상기 제 4 단계의 접착층은 사진식각 공정 등으로 패터닝이 가능한 접착물질로 형성시키는 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 압저항 방식의 마이크로폰 제조방법.
  24. 청구항 23에 있어서,
    상기 사진식각 공정등으로 패터닝이 가능한 접착물질로 벤조시클로부텐(BCB)를 사용하여 접착층을 형성시키는 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 압저항 방식의 마이크로폰 제조방법.
  25. 청구항 19에 있어서,
    상기 제 2 기판은 습식식각 또는 실리콘 DRIE 공정을 통하여 상기 전극 및 상기 중앙 센싱부가 외부로 노출되도록 형성시키는 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 압저항 방식의 마이크로폰 제조방법.
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