KR100263741B1 - 자기변형 합금박막 실리콘 캔티레버 - Google Patents

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Abstract

두께가 약 1 내지 20㎛인 실리콘 마이크로 구조물에 다음의 조성식,
SmxFey
[이때, x, y는 원자%로서, 23≤x≤58, 및 42≤y≤77(단, x+y=100)]
또는,
SmxFeyBz
[이때, x, y, z는 원자%서, 23≤x≤57.6, 42≤y≤76.3, 및 0.4≤z≤0.7(단, x+y+z=100)]
으로 이루어진 거대 자기변형 합금 박막이 코팅되어 있는 자기변형 합금 박막 실리콘 캔티레버에 대한 것으로서, 본 발명의 캔티레버는 낮은 자기장에서도 큰 변위를 갖는다.

Description

자기변형 합금 박막 실리콘 마이크로 캔티레버
본 발명은 마이크로 펌프나 마이크로 밸브 등과 같은 마이크로 디바이스(micro device) 등의 구동체로서 사용되는 자기변형 박막 실리콘 마이크로 캔티레버(cantilever)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실리콘 웨이퍼를 미세 가공하여 기판을 형성하고 여기에 낮은 자기장에서도 큰 자기변형을 보이는 자기변형 합금을 코팅 처리한 자기변형 박막 실리콘 마이크로 캔티레버에 관한 것이다.
마이크로 디바이스의 핵심 부품이라 할 수 있는 마이크로 캔티레버 등의 구동체의 재료로는 압전 세라믹 재료 등이 사용되어 왔으나, 이들 재료는 구동체의 출력에 해당되는 변형치가 작거나 디바이스의 설계에 용이하게 채택될 수 없다는 단점을 가지고 있다.
한편 1970년대 초반에 매우 큰 자기 변형 특성을 갖는 희토류-Fe계 거대 자기변형 재료가 개발되어 액츄에이터(actuator), 모터 및 음파 발생 소자 등에 사용되어 왔다. 이것은 자기장을 구동력으로 하는 희토류-Fe계 거대 자기변형 재료가 압전 세라믹 재료와 비교해서 변형치가 크며 고전압의 사용을 요하지 않고 비접촉제어를 하기 때문에 회로 설계가 용이하고, 넓은 주파수 대역을 사용할 수 있다는 등의 장점을 갖기 때문이었다. 그러나 이제까지 개발된 희토류-Fe계 거대 자기변형 재료는 주로 벌크(bulk) 형태였으며, 1990년대 초반에 이르러서 희토류-Fe계 거대 자기변형 재료를 마이크로 디바이스의 구동용 재료로서 사용하고자 하는 시도와 함께, 희토류-Fe계 합금 박막에 대한 연구들이 시작되었다.
희토류-Fe계 자기변형 재료를 이용한 박막은 상술한 압전 세라믹 박막에 비해서 자기변형이 크고 반응속도가 빠르다는 중요한 장점을 갖고 있음에도 불구하고 이러한 큰 자기변형은 매우 큰 자기장을 가함으로써만 달성된다는 단점을 갖고 있다. 즉, 희토류-Fe계의 고유 자기변형치는 크지만, 이러한 박막의 주된 이용 분야인 마이크로 디바이스에서는 실용상 통상 가할 수 있는 자기장이 1OOO Oe 이하로 제한됨으로 인해서 자기변형치가 매우 작다는 단점을 갖는다. 과거에도 영률(Young's modulus)이 작은 폴리이미드(polyimide)를 기본으로 하는 디바이스에 희토류-Fe계 자기변형 합금 박막이 적용된 바는 있으나[저어널 오브 어플라이드 피직스(Journal of Applied Physics),1994년 76권 6994호 참조], 영률이 큰 실리콘을 기본으로 하는 마이크로 디바이스용 구동체는 개발되어 있지 않다.
종래의 희토류-Fe계 합금 박막이 낮은 자기장에서 달성하는 자기 변형치가 작기 때문에 이를 기계적 강도가 큰 실리콘을 사용하는 마이크로 디바이스에 직접 사용할 수 없었던데 비해, 본 발명에서는 낮은 자기장에서도 종래의 희토류-Fe계 합금의 장점인 큰 자기변형 특성을 갖는 Sm-Fe계 합금 박막을 직접 마이크로 디바이스의 구동체에 적용하고 있다.
본 발명은 낮은 자기장에서도 충분히 큰 자기변형을 나타내는 신규한 조성의 Sm-Fe계 또는 Sm-Fe-B계 자기변형 합금 박막이 코팅된 자기변형 합금 박막 실리콘마이크로 캔티레버를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한 신규한 조성을 갖는 Sm-Fe계 또는 Sm-Fe-B계 합금 박막을 마이크로 디바이스의 구동용 재료로서 응용하기 위해서 낮은 자기장에서도 매우 큰 자기변형이 달성되는 자기변형 합금 박막 실리콘 마이크로 갠티레버를 제조하는 방법의 형태로 제공될 수도 있다.
도1은 자기변형 합금 박막을 코팅하기 전 실리콘 마이크로 구조물을 제작하는 공정의 모식도.
도2는 본 발명의 방법에 따라서 제작된 자기변형 합금 박막 실리콘 마이크로 캔티레버의 평면 사진.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자기변형 합금 박막 실리콘 마이크로 캔티레버는 실리콘 기판과, 상기 기판의 한 면에 코팅된 하기의 조성을 갖는 거대자기변형 합금 박막으로 구성된다.
SmxFey
여기서, x, y는 원자%로서,
23 ≤ x ≤ 58,
42 ≤ y ≤ 77
(단, x + y = 100)
이때, 본 발명에서 상기 합금으로서는 SmxFeyBz계 합금을 사용할 수도 있으며, 그 조성은 다음과 같다.
SmxFeyBz
여기서, x, y, z는 원자%로서,
23 ≤ x ≤ 57.6,
42 ≤ y ≤ 76.3,
0.4 ≤ z ≤ 0.7
(단, x + y + z = 100)
본 발명은 또한 상기 캔티레버를 제조하는 방법의 양태를 갖는다.
본 발명의 방법은 실리콘 웨이퍼로부터 두께가 약 1 내지 20 ㎛인 마이크로 구조물을 제작하는 단계와, 상기 마이크로 구조물의 적어도 한쪽 면에 상술한 조성을 갖는 Sm-Fe계 거대 자기변형 합금 박막을 코팅하는 단계로 구성된다.
또한 본 발명의 다른 실시예에서는 자기변형 합금으로서 상기 Sm-Fe-B계 합금을 코팅 한다.
본 발명에 의한 자기변형 박막 마이크로 캔티레버의 제조 공정을 도1에 도시하였다. 먼저 수 ㎛ 이하의 얇은 캔티레버를 제조할 경우 도1의 (a)와 같이 실리콘 웨이퍼의 한쪽 표면에 B(붕소)를 확산시켜 에칭 정치층을 형성한 후 도1의 (b)와 같인 웨이퍼 양쪽 표면에 실리콘 질화물을 증착한다. 이어서, 도1의 (c)와 같이 상기 B 확산층의 반대 표면에 패턴(pattern)을 형성한 후 실리콘 질화물 및 잔류 산화층을 에칭한다. 다음 도1의 (d)와 같이 KOH로 실리콘을 에칭하여 얇은 막형태를 형성한 후, 도1의 (e)와 같이 다시 캔티례버 형태의 패턴을 만들고, 나머지 부분을 에칭하여 제거함으로써 마이크로 캔티레버를 제작하였다.
수 ㎛ 이상의 두께를 갖는 캔티레버를 제조할 경우에는 상기 공정에서 B 확산에 의한 에칭 정지층을 만들지 않고 에칭 시간을 조절하여 캔티레버를 제조하였다.
한편 본 발명에 따르는 자기변형 재료의 박막 증착은 통상 스퍼터링(sputtering) 방법에 의해서 달성되는데, 이 방법에서 사용되는 타게트(target)로는 복합 타게트 또는 합금 타게트 모두를 사용할 수 있다. 본 발명에서는 순철 또는 B가 소량 함유된 디스크 형태의 Fe-B 타게트 위에 Sm의 소편을 배치하거나, Sm-Fe 또는 Sm-Fe-B 합금 타게트를 이용하여 불활성 가스 분위기에서 스퍼터링함으로써 소정 조성의 박막을 제조할 수 있게 된다.
본 발명에서 사용되는 자기변형 박막 재료로는 다음과 같은 Sm-Fe계 합금 박막 또는 Sm-Fe-B계 합금 박막이 사용된다.
(1) Sm-Fe계 합금 박막의 조성은 다음과 같다.
SmxFey
이때, x, y는 원자%로서,
23 ≤ x ≤ 58
42 ≤ y ≤ 77
(단, x + y = 100임)
(2) Sm-Fe-B계 합금 박막의 조성은 다음과 같다.
SmxFeyBz
이때, x, y, 및 z는 원자%로서,
23 ≤ x ≤ 57.6
42 ≤ y ≤ 76.3
0.4 ≤ z ≤ 0.7
(단, x + y + Z = 100임)
따라서, 본 발명에 의한 실리콘 마이크로 캔티레버는 상술한 방법으로 실리콘 웨이퍼를 습식 에칭에 의해 두께가 약 1 내지 20㎛인 마이크로 구조물을 제작하고, 여기에 상기의 조성을 갖는 합금 박막 형태로 상기 구조물 상세 스퍼터링 또는 기타의 물리적 증착법(PVD))을 사용하여 코팅함으로써 제작된다.
본 발명의 자기변형 박막 실리콘 마이크로 캔티레버의 구체적인 제조 공정 및 특성은 실험예들과 비교예를 통해서 보다 명확하게 이해될 것이다.
[실험예]
실리콘의 {100}면을 상술한 바와 같은 통상의 방법에 따라서 미세 가공하고, 이러한 실리콘 미세 가공을 통해서 3.7 mm(길이) × 1.0 mm(폭) × 13 ㎛(두께)의 마이크로 구조물을 제작하였다. 이러한 마이크로 구조물 위에 고주파 마그네트론 스퍼터링 장치에 의해서 본 발명에서 제시한 조성 범위의 Sm-Fe계 합금, 또는 Sm-Fe-B계 합금 박막을 약 1.2 ㎛의 두께로 코팅함으로써 자기변형 박막 실리콘 마이크로 캔티레버를 제작하였다. 도2는 이와 같이 제작된 자기변형 합금 박막 실리콘 마이크로 캔티레버의 평면 사진이다. 이와 같은 방법으로 제작된 자기변형 박막 실리콘 마이크로 캔티레버에 대해서 자기장을 최대 1OOO Oe까지 인가할 수 있도록 제작된 전자석을 장착한 광학 현미경을 이용하여 자기장에 따른 변위의 크기를 측정하였다.
표1은 본 발명에 따라 실리콘 웨이퍼를 습식 에칭에 의해 3.7㎛(길이) ×1.0 mm(폭) × 13 ㎛(두께)의 마이크로 구조물을 제작한 후 상기 구조물에 본 발명에서 제시한 Sm-F3계 합금 박막을 1.2 ㎛ 두께로 코팅함으로써 제작된 자기변형 박막 실리콘 마이크로 캔티레버에서 합금 박막의 조성 및 인가 자기장에 따른 변위의 크기를 나타낸 도표이고, 표2는 표1에서와 동일한 조건으로 본 발명에서 제시한 Sm-Fe-B계 합금 박막을 1.2 ㎛ 두께로 코팅한 자기변형 박막 캔티레버의 변위의 크기를 나타낸 도표이다.
[표 1]
[표 2]
[비교예]
본 발명에서 제시한 조성 범위를 벗어나는 Sm-Fe계 합금, 또는 Sm-Fe-B계 합금 박막을 약 1.2 ㎛ 두께로 코팅한 것을 제외하고는 전술한 실험예들과 동일한 방법으로 자기변형 실리콘 마이크로 캔티레버를 제작하고, 이의 변위를 측정하였다.
표3은 본 발명에 따라 실리콘 웨이퍼를 습식 에칭에 의해 3.7 mm(길이) ×1.0 mm(폭) × 13 ㎛(두께)의 마이크로 구조물을 제작하고 이러한 구조물에 본 발명에서 제시한 조성 범위를 벗어나는 Sm-Fe계 합금 박막 및 Sm-Fe-B계 합금 박막을 1.2 ㎛ 두께로 코팅함으로써 제작된 자기변형 박막 실리콘 마이크로 캔티레버에 대해서 합금 박막의 조성 및 인가 자기장에 따른 변위의 크기를 나타낸 도표이다.
[표 3]
이상에서 {100}면을 갖는 실리콘 웨이퍼를 습식 에칭에 의해 3.7 mm(길이) × 1.0 mm(폭) × 13 ㎛(두께)의 마이크로 구조물에 본 발명에서 제시한 조성 범위의 합금 박막을 코팅함으로써 자기변형 박막 실리콘 마이크로 캔티레버를 제작하였으며, 이러한 자기변형 합금 박막 실리콘 마이크로 캔티레버는 낮은 자기장에서도 큰 변위가 달성되었다. 구체적으로 150 Oe의 낮은 자기장에서, Sm-Fe계 합금 박막을 코팅한 캔티레버에서는 46 ㎛ 이상, Sm-Fe-B계 합금 박막을 코팅한 캔티레버에서는 48 ㎛ 이상의 변위가 달성되었다.

Claims (2)

  1. 실리콘 기판과, 상기 기판의 한 면에 코팅된 하기의 조성식을 갖는 Sm-Fe계 거대 자기변형 합금·박막으로 구성된 것을 특징으로 하는 자기변형 합금 박막 실리콘 마이크로 캔티레버.
    〈조성식〉
    SmxFey
    여기서, x, y는 원자%로서 23 ≤ x ≤ 58, 및 42 ≤ y ≤ 77 (단, x + y = 100)의 관계를 층족한다.
  2. 실리콘 기판과, 상기 기판의 한 면에 코팅된 하기의 조성식을 갖는 Sm-Fe-B계 거대 자기변형 합금 박막으로 구성된 것을 특징으로 하는 자기변형 합금 박막 실리콘 마이크로 캔티레버.
    〈조성식〉
    SmxFeyBz
    여기서, x, y, z는 원자%로서, 23≤x ≤ 57.6, 42 ≤y ≤76.3, 및 0.4 ≤ z ≤ 0.(단, x + y + z = 100임)의 관계를 충족한다.
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