KR100819933B1 - 돔형의 압전박막 소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판에 형성한 홀 구조를 이용하여 돔 형상의 전극/압전박막/전극으로 구성된 압전박막 소자 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따라 압전박막 구조체를 돔 형상으로 제조하여 압전박막의 압전 특성을 향상시키고 돔 형상 압전박막 구조체의 제조 공정을 단순화하여 수율을 증가시킬 수 있다.
홀 구조, 돔 형상, 압전박막 소자
Description
도 1은 본 발명에 따른 실시예 1의 기판에 가공된 홀과 그 홀을 이용하여 제조한 양각 돔형 압전박막 구조체의 측면단면도이고,
도 2는 본 발명에 따른 실시예 1의 기판의 홀과 그 홀을 이용하여 제조한 양각 돔형 압전박막 구조체의 평면도이고,
도 3은 본 발명에 따른 실시예 1의 기판 홀과 양각 돔형 압전박막 제조 공정을 개략적으로 도시한 공정도이고,
도 4는 본 발명에 따른 실시예 2의 기판의 홀과 그 홀을 이용하여 제조한 음각 압전박막 구조체의 측면단면도이고,
도 5는 본 발명에 따른 실시예 2의 기판의 홀과 그 홀을 이용하여 제조한 기판 내부로 음각 압전박막 구조체의 평면도이고,
도 6은 본 발명에 따른 실시예 2의 기판 홀과 음각 돔형 압전박막 제조 공정을 개략적으로 도시한 공정도이고
도 7은 본 발명에 따른 실시예 3의 기판 홀 주위에 압전박막 구조체를 합성하고 돔형 다이어프램(diaphragm)을 합성하여 제조한 전기 음향 변환기의 측면단면도이고,
도 8은 본 발명에 따른 실시예 3의 기판 홀 주위에 압전박막 구조체를 합성하고 돔형 다이어프램(diaphragm)을 합성한 음향 변환기 제조를 개략적으로 도시한 공정도이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
1, 3 ,8, 10: 전극 2, 9: 압전 박막
4: 기판 5: 홀
6: 몰드 7: 틀
11: 다이어프램
본 발명은 기판에 홀을 형성하고, 이 홀을 이용하여 제작한 돔형의 전극/압전박막/전극으로 구성된 압전박막 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 반도체 제조 기술과 멤스(MEMS) 기술의 발전은 압전박막을 이용한 마이크로폰, 스피커 등의 음향 변환기, 초음파 영상 변환기, 무선통신용 고주파 공진기 개발을 촉진하였고, 이 같은 기술은 실리콘(Si), 비화갈륨(GaAs) 등의 반도체 박막 위에 압전박막 소자와 함께 증폭기 등의 집적회로(IC) 등을 함께 제조할 수 있기 때문에 휴대용 무선기기 등의 소형화와 경량화하기 위한 기술로 주목받고 있다.
기존의 압전박막 소자 제조 방법으로는 기판 위에 전극/압전박막/전극을 형성하고, 기판의 반대쪽 면에서 기판을 식각(etching)하여 압전박막 구조체의 하부 전극의 밑면을 노출시키는 방법인 몸체 미세가공법(bulk micromachining)과 희생층을 이용하여 압전박막 구조체 아래 공기층을 형성하는 표면 미세가공법(surface micromachining)법이 이용되고 있으며, 이 같은 제조 방법으로 구현된 압전박막 구조체는 하부전극의 밑면에 공간이 존재하기 때문에 음향 변환기 또는 고주파 공진기 제조에 응용되고 있다.
그러나 몸체 미세가공법의 경우 압전소자 반대쪽 면의 기판을 식각하는 공정시간이 길고, 화학약품에 의해 압전박막 구조가 증착되어 있는 앞면이 손상을 받을 수 있다. 또한, 기판의 결정학적 특성에 의해 식각하는 동안 압전박막 구조체보다 넓은 면적의 기판이 식각되기 때문에 웨이퍼당 소자 수가 적어지고 소자가 쉽게 파손되는 단점이 있다.
표면 미세가공법의 경우 몸체 미세가공법과 비교하여 화학약품을 이용한 식각 공정이 없고, 압전박막 크기의 소자 구현이 가능하여 수율이 높은 장점이 있다. 하지만 공기층 위에 부유하고 있는 하부전극/압전박막/상부전극 간의 응력 조정이 어렵고 고주파 공진기로 응용이 제한된다.
몸체 미세가공법과 표면 미세가공법의 단점을 보완하기 위해 희생막을 이용한 아치형 압전박막 공진기(등록번호 10-0518103) 제조방법이 개발되기도 하였지만 표면 미세가공법으로 제조한 압전박막 소자와 그 응용범위가 같고 희생막을 제거하기 위한 구조적 제한으로 인해 돔형의 압전박막 제조가 불가능하다.
따라서, 본 발명의 목적은 기판에 형성한 홀을 이용하여 압전특성이 우수한 돔형 압전박막 소자 및 그 제조방법을 제공하고자 한다. 기판에 형성한 홀 구조와 몰드를 이용하여 열가소성 수지 또는 광 경화성 수지를 양각 또는 음각의 돔형상으로 제조한다. 홀 구조 위에 형성된 양각 또는 음각의 돔형 수지 위에 전극/압전박막/전극의 압전박막 구조를 형성하고, 그 후에 수지를 제거하여 돔형 압전박막 소자를 제조할 수 있다. 또한 본 발명을 통해 제조한 돔형 압전박막은 박막 사이에 발생하는 응력으로 인한 압전박막의 파괴를 최소화할 수 있기 때문에 수율을 높일 수 있다.
본 발명에 따른, 기판에 가공된 홀을 이용한 돔형 압전박막 소자는 전극/압전박막/전극의 압전박막 구조가 기판과 접촉되어 있지 않기 때문에 음향 등의 파장에 효과적으로 반응할 수 있는 음향 변환기, 초음파 영상 변환기, 무선통신용 고주파 공진기 등의 압전박막 소자로 응용이 가능하다.
본 발명은 압전박막 소자에 있어서, 홀이 가공된 기판에 형성되고, 전극/압전박막/전극 구조체를 가지며, 그 형태가 돔형인 것을 특징으로 하는 돔형 압전박막 소자를 제공한다. 바람직하게는 전극/압전박막/전극 구조체의 돔형은, 양각 돔 형태 및 음각 돔형 중 어느 한 형태를 가진다. 각 전극은, 압전박막과 접하지 않는 면이 외부에 노출되도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명은 기판에 홀을 가공하는 제 1 단계; 경화성 수지로 양각 돔형 및 음각 돔형 중 어느 한 형태를 형성하는 제 2 단계; 경화성 수지의 돔형을 본 떠 돔형의 요소를 형성하는 제 3 단계; 경화성 수지의 돔형을 제거하는 제 4 단계; 를 구비하는 것을 특징으로 하는 돔형 압전박막 소자의 제조 방법을 제공한다. 바람직하게는 제 3 단계의 돔형의 요소는, 전극/압전박막/전극 구조체이다. 또한 바람직하게는 제 1 단계의 기판은, 전극/압전박막/전극이 증착되어 있고, 제 3 단계의 돔형의 요소는, 다이어프램이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판에 홀을 가공하고, 돔 구조 몰드에 열 가소성 수지 또는 광 경화성 수지를 공급하거나 제거할 수 있게 함으로써, 압전박막 구조체가 응력에 의해 파괴되는 것을 최소화함과 동시에 돔형 압전박막 구조를 단순한 공정으로 제작할 수 있고, 경화성 수지가 제거된 돔형 압전박막 구조의 전극은 공기에 노출되어 있기 때문에 음향 등의 파장을 효과적으로 전기적 신호로 변환할 수 있다.
이하 도면을 참조하여 좀 더 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 6에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판(4) 위에 돔형의 전극(1)/압전박막(2)/전극(3)의 압전박막 구조체를 제조하기 위해서 돔 구조가 형성될 부분의 기판(4)에 홀(5)을 가공하고 기판(1)의 윗면에 양각 또는 음각 돔형의 몰드(6)를 위치하여 열가소성 수지 또는 광 경화성 수지를 공급 및 고정시켜 압전박막 구조를 제조할 수 있는 틀(7)로 이용한다. 이때 기판으로는 유리기판, 폴리머 기판 등의 생산원가를 낮출 수 있고 반도체 박막이 합성 가능한 표면이 평탄한 물질을 사용한다. 또한 돔형 압전박막이 형성된 후 기판(4)의 홀(5)을 이용하여 열가소성 수지 또는 광 경화성 수지를 제거하여 압전박막의 전극(1)의 일 면이 노출되는 구조를 제조되는 것을 특징으로 한다. 홀(5)을 통해 열가소성 수지 또는 광 경화성 수지를 주입하거나 제거하기 위해 홀(5)의 직경은 바람직하게 0.1mm 이상으로 하고 돔형 압전박막 구조체의 크기에 따라 다수의 홀(5)을 이용한다.
광 경화성 수지를 이용하여 돔형 틀(7)을 제조할 경우 바람직하게 석영관 등의 밴드갭 에너지가 커서 자외선이 투과할 수 있는 재료로 구성된 몰드(6)를 이용한다.
돔형 압전박막 구조체의 직경이 2mm 이상인 경우 몰드(6)를 이용하지 않고 기판(4)에 형성된 홀(5)에 열가소성 수지 또는 광 경화성 수지를 홀(5) 부피의 0.7 ~ 1.2 배에 해당하는 양을 주입하여 열가소성 수지 또는 광 경화성 수지를 이용한 돔형 틀(7)을 제조한다. 열가소성 수지 및 광 경화성 수지와 기판(4)의 표면 에너지 차에 의해 표면 접촉각이 40도 이하인 경우 기판(4)과 경화된 열가소성 수지 및 광 경화성 수지 틀(7) 위에 연속적 구조를 갖는 박막 증착이 가능하다.
열가소성 수지 또는 광 경화성 수지를 이용하여 제조한 돔형 틀(7) 위에 전극(1)을 형성하는 과정은 바람직하게 증발기(evaporator)를 이용하여 기화된 전극물질이 폴리머 물질인 열가소성 수지 또는 광 경화성 수지 틀(7)의 형상에 영향을 미치지 않고 그 위에 증착될 수 있도록 한다.
본 발명에서 압전박막(2) 물질로는 비 강유전(non-ferroelectrics) 특성을 갖는 산화아연(ZnO) 및 질화알루미늄(AlN)과 강유전(ferroelectrics) 특성을 갖는 PZT(Pb(Zr,Ti)O3) 등을 사용한다.
경화성 수지 틀(7)을 이용하여 제조된 돔형의 압전박막 구조체는 기판(4)과 접촉된 부분을 제외한 부분이 3차원적인 구조를 이루고 있기 때문에 박막 간의 응력에 의한 흼 현상에 의한 압전박막 구조체의 파괴 가능성이 작다. 또한 돔형구조의 압전박막의 구조체에 전달되는 음향 등의 파장은 박막의 수직 방향으로 균일하게 압력이 가해지기 때문에 높은 압전효율을 갖는 압전소자 제조가 가능하다.
본 발명에서 전극(1)/압전박막(2)/전극(3)의 돔형 압전박막 구조체는 압전박막(2)과 접하지 않은 각 전극(1, 3)의 면이 모두 열린 구조로서, 기판(4)에 형성된 홀(5)을 통해 음향 등의 파장을 전달하고 압전박막(2)은 이 같은 파장을 전기적 신호로 바꾸는데 효과적이기 때문에 마이크로폰 및 스피커에 응용이 가능하다. 또한 돔 형상 압전박막 구조체는 특정 주파수대를 감지하여 시각화할 수 있는 초음파 영상 변환기 및 무선통신용 고주파 공진기 응용을 위한 FBAR 구조로 응용할 수 있다.
이하, 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 좀더 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 발명의 보호범위를 한정하지는 않는다.
실시예 1: 기판(4)의 홀(5)을 이용한 양각 압전박막 구조체 제조
도 1 및 도 2의 압전박막 구조체를 제조하기 위해 유리 기판(4) 위에 1 mm 직경에 홀(5)을 가공하고 유리 기판(4) 위에 돔 형상이 조각되어 있는 석영 몰드(6)를 고정한다. 광 경화성 수지인 감광(photo-resist) 물질을 홀(5)의 뒷면으로부터 주입하고 자외선을 주입하여 광 경화성 수지로 돔형 틀(7)을 경화시킨다. 몰드(6)를 기판(4)으로부터 제거하고 경화성 수지로 형성된 양각의 돔형 틀(7) 위에 증발기(evaporator)를 이용하여 알루미늄(Al) 전극(1)을 증착하고, 전극 위에 rf 마그네트론 스퍼터(rf magnetron sputter)를 이용하여 산화아연(ZnO) 박막(2)을 합성한 후에 연속적으로 rf 마그네트론 스퍼터(rf magnetron sputter)를 이용하여 알루미늄(Al) 전극(3)을 형성한다. Rf 마크네트론 스퍼터(rf magnetron sputter)를 이용하여 1m 이상의 후막 제조시 기판(4)에 냉각장치를 사용하여 광 경화성 수지의 틀(7) 모양 변화를 최소화한다. 이후에 광 경화성 수지를 제거할 수 있는 아세톤 등의 제거용액을 이용하여 광 경화성 수지로 구성된 틀(7)을 제거함으로써, 기판(4)의 홀(5) 위에 돔형 전극(1)/압전박막(2)/전극(3)으로 구성된 압전박막 구조체를 제조하였고 도 3의 공정도는 실시예 1의 공정을 보여주고 있다.
실시예 2: 기판(4)의 홀(5)을 이용한 음각 돔형 압전박막 구조체 제조
도 4 및 도 5의 음각 돔형 압전박막 구조체를 제조하기 위해 도 6의 공정도에 따라 유리 기판(4)에 1.5mm 직경의 홀(5)을 형성하고 알루미늄(Al) 몰드(6)를 홀(5) 가공된 기판(4)에 고정한다. 액상의 열가소성 수지를 기판(4)의 홀(5)과 몰드(6)가 형성하고 있는 구조에 주입하고 상온에서 수지를 고체화하여 틀(7)을 형성한다. 기판(4) 내부로 오목한 돔형 틀(7)에 증발기(evaporator)를 이용하여 알루미늄 전극(1)을 형성하고 rf 마그네트론 스퍼터(rf magnetron sputter)를 이용하여 산화아연(ZnO) 압전박막(2)과 전극(2)을 증착하고 유기용매를 이용하여 틀(7)로 이용한 수지를 용해시켜서 음각 돔형 압전박막 구조체를 제조한다.
실시예 3: 압전박막 구조체에 돔형 다이어프램(diaphragm; 11)을 합성하여 제작한 음향 변화기 구조 제조
기존의 다이어프램(diaphragm)을 이용한 압전소자 마이크로폰 또는 스피커의 경우 다이어프램(diaphragm)으로 이용하기 위한 돔형 폴리머 구조를 제조하고 이를 압전박막 구조체에 연결하여 제조되었다. 최근에는 몸체 미세가공법을 이용하여 질화실리콘(SiN), 산화실리콘(SiO), 산화티타늄(TiO) 박막을 단일 박막 또는 다층 박막 구조의 평면형 다이어프램(diaphragm)을 압전박막 구조체 위에 연속적으로 제조하여 압전소자 마이크로폰 또는 스피커가 제조되기도 하였으나, 기판 식각 공정이 마지막에 이뤄지기 때문에 하부전극 파괴 등의 공정이 어려운 단점이 있다. 이에 본 발명에서는 도 7의 구조를 갖는 음향 변환 압전박막 구조체를 제조하기 위해 도 8의 공정도와 같이 유리 기판(4)에 홀(5)을 가공하고 기판 윗면의 홀 주위를 따라 rf 마그네트론 스퍼터(rf magnetron sputter)를 이용하여 원형의 알루미늄 전극(8),PZT(Pb(Zr,Ti)O3) 압전박막(9), 알루미늄 전극(10)을 차례대로 증착하였다. 유리 기판(4)의 홀과 링 형상의 압전박막 구조체에 알루미늄 몰드(6)를 고정시키고 고체왁스를 주입하여 압전박막 구조체 위에 돔형의 다이어프램(11)을 제조할 수 있는 틀(7)을 형성하고, 에폭시 수지를 고체왁스 위에 스핀 코팅기를 이용하여 박막으로 합성하였다. 유기용제인 아세톤을 이용하여 고체왁스를 용해시키면 링 형상의 압전박막 구조체에 돔형 에폭시 다이어프램(11)이 제조된다.
본 발명에 따라 제조된 홀 구조 돔형 압전박막 소자는 압전박막과 접하는 전 극이 노출되어있고 돔 형상이 음파 등의 파형 에너지를 전압으로 효과적으로 변환하기 때문에 음향 변환기, 초음파 영상 변환기, 무선통신용 고주파 공진기로 응용이 가능하다. 또한 돔형 압전박막 소자는 제조방법이 단순하고 박막 간의 응력에 의한 파괴 가능성이 적기 때문에 높은 제품 생산성이 기대된다.
Claims (6)
- 압전박막 소자에 있어서, 홀이 가공된 기판에 형성되고, 돔 형태의 전극/압전박막/전극 구조체를 가지며,각 전극은 압전박막과 접하지 않는 면이 외부에 노출되는 것을 특징으로 하는 돔형 압전박막 소자.
- 제1항에 있어서,전극/압전박막/전극 구조체의 돔 형태는, 양각 돔형 및 음각 돔형 중 어느 한 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 돔형 압전박막 소자.
- 삭제
- 기판에 홀을 가공하는 제 1 단계;경화성 수지로 기판의 외부로 홀을 덮는 볼록한 돔형 및 홀 내부로 오목하게 형성된 돔형 중 어느 한 형태의 틀을 형성하는 제 2 단계;경화성 수지의 돔형 틀을 본 떠 돔형의 구조체를 형성하는 제 3 단계;경화성 수지의 돔형 틀을 제거하는 제 4 단계; 를 구비하는 것을 특징으로 하는 돔형 압전박막 소자의 제조 방법.
- 제4항에 있어서,제 3 단계는, 전극/압전박막/전극을 차례로 증착하여 돔형의 구조체를 형성하는 것을 특징으로 하는 돔형 압전박막 소자의 제조 방법.
- 제4항에 있어서,제 1 단계는, 홀 가공 후 기판에 전극/압전박막/전극이 증착되는 공정을 거치고,제 3 단계는, 돔형 틀 위에 돔형의 수지 박막을 합성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 돔형 압전박막 소자의 제조 방법.
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Patent Citations (1)
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