Recently, as the technology of fabrication for nano-sized structure is developed, NEMS(Nano-Electro-Mechanical System) are attracting attention due to their small size. Nanomechanical resonators or NEMS present interesting possibilities in a number of application as well as fundamental research. Due to high resonant frequency(~MHz), very small mass, low intrinsic dissipation which is limited at microscale dimensions, demonstrations and applications of unprecedented sensitivity available from nanomechanical devices such as sub-single-charge electrometry, single-electron-spin paramagnetic resonance, zeptogram scale mass sensors, and sub-femto-metre displacement sensing.
In this thesis, MHz range nanomechanical resonator is demonstrated and developed based upon novel material titanium nitride which superior properties than other materials such as SiC, AlN, Si, GaAs. Proposed titanium nitride material has many advantages for nano-mechanical resonator in view of fabrication, design, performance, SNR. Using conventional CMOS-compatible fabrication, we made a stiff doubly clamped beam composed of only poly-crystalline titanium nitride without additional metal layer and temperature of fabrication is $300\degC$ which is very low thermal budget to fertile the reliable imbedded CMOS-circuit. At the same time, processing for making suspended structure is very simple and reliable. Due to constructing beam with single material, devices achieve a high quality factor without no interfacial friction and loss. In addition, titanium nitride have a high elastic modulus of 400~600GPa, which results high resonant frequency and sensitivity. Fundamental characterization of doubly clamped beam based upon titanium nitride were measured and compared with other research group. Maximum resonant frequency is obtained to about 135MHz with 2600 of quality factor which performance reach the $4 \times 10^{11}$ value. This performance is comparable or superior to other research group which shows the advantages of titanium nitride for nano-mechanical resonator. Also, analysis of measured data is performed in view of quality factor, lateral etching effect, metallic effect, applied signal etc. From the basic characterization of resonator, experiments, which proves the feasibility of application to mass and bio sensor, are demonstrated simply and confirm the potential to high sensitive mass sensor. In the middle of implementation in liquid, titanium nitride suspended structure is not shown the phenomenon of stiction, which proves the very stiff and proper to bio application. These demonstrations of mass and bio sensor is further developed afterward.
In conclusion, this work shows that titanium nitride is most suitable material for nanomechanical resonator compared to other material and can be used zeptogram mass sensor and bio sensor, which possible to detect single protein in future.
본 논문은 차세대 높은 감도를 가지는 질량 및 바이오 센서에 이용 가능한, 질화 티타늄에 기초한 메가 헤르즈의 고 주파수에서 동작하는 기계적 공진기에 관한 연구를 수행하였다. 제안된 질화 티타늄물질은 기존 CMOS공정에서 디퓨전 배리어로 사용되는 물질로, 기존 공정과 호환이 가능하고, 공정 온도 또한 $300\degC$ 이하로 매우 낮아, CMOS 회로가 임베디드된 형태로 기계적 공진기 어레이 제작을 가능케 한다. 또한 질화 티타늄의 높은 영스 모듈러스와 높은 전도도의 특성은 나노 기계적 공진기의 성능인 공진 주파수와 품질계수를 높게 달성할 수 있다는 장점을 가지고 있고, 이러한 장점을 바탕으로 질화 티타늄을 이용한 나노 기계적 공진기를 처음으로 제안하여, 성공적으로 제작 및 측정, 분석을 실시하였다.
최근, 서브 나노 미터 수준의 높은 공간 분해능과 GHz에 이르는 공진 특성 그리고, 힘, 및 질량 변화와 같은 외부자극에 대한 초 민감도를 가지는 나노 기계적 공진기 소자가 주목 받고 있는 실정이며, 실제로, 단일 바이러스에서 단백질, DNA, 단일 분자에 이르기 까지 극 미세 질량 센서를 이용하여, 간단하게 검출이 가능하다는 많은 연구가 보고 되고 있다. 특히, 최근 나노 기계 소자를 이용하여 저온 고 진공에서 수백 $zg(1zg=10^{-21}g)$ 의 질량변화를 측정할 수 있는 결과가 보고 되는 등 극 미세 질량으로서의 응용가능성을 모색할 수 있게 되었다.
따라서, 이러한 초고감도 나노 기계 소자의 상용화에 따른 학문적, 경제적 파급 효과는 매우 클 것으로 예상되며, 나노 기계 소자의 제작 및 측정 기술을 확보하는 것은 매우 중요한 연구라고 할 수 있다.
이러한 연구의 일환으로 기존 다른 물질에 비해 뛰어난 물질 특성을 가지는 질화 티타늄을 이용한 나노 기계 소자 연구를 진행하게 되었다.
1MHz에서 1GHz의 높은 공진 주파수를 가지는 나노 기계 소자를 성공적으로 제작하였고, 로렌츠 힘을 이용한 구동과 검출 방식을 통해 공진 주파수와 품질 계수를 측정할 수 있었다. 3K온도와 10Torr, 9T의 환경에서 현재까지 최대 135MHz의 공진 주파수와 2600의 품질계수를 측정할 수 있었고, 공진기의 일반적 성능 평가기준인 공진주파수와 품질 계수 곱은 $4\times10^{11}$ 을 얻을 수 있었다. 이러한 성능은 기존 타 물질로 이루어진 나노 기계 공진기에 비해 비교적 높은 성능을 나타내면, 이러한 측정 결과를 통해 질화 티타늄의 우수성을 검증할 수 있었다. 그리고, 마그네틱 필드, 입력 전압, 온도에 따른 기전력 변화양상, 추가적인 메탈에 의한 효과, 레터럴 에칭에 의한 효과 등등에 대한 많은 토론 및 분석이 이루어졌다. 이러한 토론 및 분석은 향후 나노 기계 소자의 특성을 평가하고 분석하는데 많은 참고 및 도움이 될 수 있으리라 생각한다.
마지막으로, 설계된 나노 기계 공진기를 이용해 실제 질량 및 바이오 센서로서의 기초적인 응용 실험을 행하였다. 그 결과 $3.58 X 10^{-16}$ g/Hz에 이르는 질량 민감도를 얻을 수 가 있었고, 이는 질량 로딩과 측정이 동시에 이루어질 수 있는 좀더 정교하고 세밀한 개선된 측정 환경을 통해 최근에 보고된 zepto-gram까지도 측정이 가능한 극 미세 질량 센서로써 이용할 수 있다.
결론적으로, 제안된 질화 티타늄을 이용한 나노 기계적 공진기는 향후 극 미세 질량 및 바이오 물질을 검출하기 위한 질량센서나 바이오 센서로써 응용될 수 있으며, 실제 상용화 및 대량생산 하는데 있어, 많은 공정적, 설계적 솔루션을 제시할 수 있을 것이라 기대된다.
