Fabrication of the pyramid-type silicon tunneling devices for displacement sensor applications

변위센서응용을 위한 피라미드형 실리콘 턴널링소자의 제조

The tunneling current is exponentially dependent on the separation gap between a pair of conductors. The detection of displacement can be, therefore, carried out by measurment of a variation in the tunneling current. In this experiment, we fabricated pyramid-type silicon tunneling devices in which a tunneling current flow between a micro-tip and $Si_3N_4$ thin film membrane. A MEMS process was used for the fabrication of the tunneling devices. The micro-tips were formed on Si wafers by undercutting a differently oriented square of $SiO_2$ with KOH. The stiffness of the $Si_3N_4$ films were observed and the model for the stiffness calculation, which is useful in predicting the stiffness even when the stiffness ranges beyond the scope of the normal experimental condition, was suggested.

턴널링 전류는 전극사이의 거리에 지수적으로 비례한다. 따라서 턴널링 전류의 변화측정을 통하여 전극간격의 미세변위를 측정할 수 있다. 본 실험에서는 micro-tip과 membrane사이에 턴널링 전류가 흐르는 피라미드형 실리콘 턴널링소자를 micro-electro-mechanical systems (MEMS) 공정을 이용하여 제조하였다. 단결정 실리콘을 KOH 용액안에서 이방성 에칭 시켜 micro-tip을 제조하였으며, 이때 $SiO_2$막을 마스크로 사용하였다 $Si_3N_4$막으로 membrane을 형성하였다. 마스크 방향에 따른 에칭 진행과정의 차이를 조사하였으며 membrane으로 사용한 $Si_3N_4$막의 stiffness를 측정하였다. 실험으로 측정하기 어려운 영역의 $Si_3N_4$막 stiffness 예측을 위한 모델식을 제시하였다.