KR100275652B1 - 자기변형 합금 박막 실리콘 캔티레버 - Google Patents
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Abstract
두께가 약 25 ㎛인 실리콘 구조물에 다음의 조성식, TbxFeyBz,[이때, x, y, z는 원자%로서, 43.5 ≤ x ≤ 62.4, 37.3 ≤ y ≤ 56.5, 및 z ≤ 0.4 (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
본 발명은 마이크로 펌프나 마이크로 밸브 등과 같은 마이크로 디바이스(micro device) 등의 구동체로서 사용되는 자기변형 박막 실리콘 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 캔티레버에 관한 것이다.
마이크로 디바이스의 핵심 부품이라 할 수 있는 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 자기변형 특성을 갖는 희토류-Fe계 거대 자기 변형 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 비접촉 제어를 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 자기 변형치는 크지만, 이러한 박막의 주된 이용 분야인 마이크로 디바이스에서는 실용상 통상 가할 수 있는 자기장이 1000 Oe 이하로 제한됨으로 인해서 자기 변형치가 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[응용 물리 저어널(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 달성되는 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 Tb-Fe계 합금 박막을 직접 마이크로 디바이스의 구동체에 적용하고 있다.
본 발명은 희토류-철계 합금 결정의 미세 조직을 비정질화시킴으로써 작은 자기장 하에서 큰 자기변형을 나타내는 자기변형 박막 캔티레버를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한 낮은 자기장에서도 충분히 큰 자기변형을 나타내는 신규한 조성의 Tb-Fe-B계 자기변형 합금 박막이 코팅된 자기변형 합금 박막 실리콘 캔티레버를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도1은 자기변형 합금 박막을 코팅하기 전 실리콘 구조물을 제작하는 공정의 모식도.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자기변형 합금 박막 실리콘 캔티레버는 실리콘 기판과, 상기 실리콘 기판의 한면에 코팅된 하기의 조성을 갖는 거대 자기변형 합금 박막으로 구성된다.
TbxFeyBz
여기서, x, y, z는 원자%로서,
43.5 ≤ x ≤ 62.4,
37.3 ≤ y ≤ 56.5, 및
z ≤ 0.4
(단, x + y + z = 100).
본 발명은 또한 상기 캔티레버를 제조하는 방법의 양태를 갖는다.
본 발명의 방법은 실리콘 웨이퍼로부터 두께가 약 20 ㎛인 구조물을 제작하는 단계와, 상기 구조물의 적어도 한쪽 면에 상술한 조성을 갖는 Tb-Fe-B계 거대 자기변형 합금 박막을 코팅하는 단계로 구성된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예와 비교예를 비교하고 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 자기변형 박막 캔티레버의 제조 공정의 일 실시예를 도1에 도시하였다. 먼저 수 ㎛ 이하의 얇은 캔티레버를 제조할 경우 도1의 (a)와 같이 실리콘 웨이퍼의 한쪽 표면에 B(붕소)를 확산시켜 에칭 정지층을 형성한 후 도1의 (b)와 같이 웨이퍼 양쪽 표면에 실리콘 질화물을 증착한다. 이어서, 도1의 (c)와 같이 상기 B 확산층의 반대 표면에 패턴을 형성한 후 실리콘 질화물 및 잔류 산화층을 에칭한다. 다음 도1의 (d)와 같이 KOH로 실리콘을 에칭하여 얇은 막 형태를 형성한 후, 도1의 (e)와 같이 다시 캔티레버 형태의 패턴을 만들고, 나머지 부분을 에칭하여 제거함으로써 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 발명의 자기변형 재료의 박막은 예컨대 스퍼터링(sputtering) 방법에 의해서 증착시킬 수 있다. 이 방법에는 타게트(target)로서는 복합 타게트 또 는 합금 타게트 모두를 사용할 수 있다. 순철 타게트 또는 B가 소량 함유된 Fe-B 타게트 위에 Tb의 소편을 배치하거나, Tb-Fe-B 합금 타게트를 이용하여 불활성 가스 분위기에서 스퍼터링함으로써 소정 조성의 박막을 제조할 수 있게 된다.
본 발명의 자기변형 박막 재료로서는 다음과 같은 Tb-Fe-B계 합금 박막이 사용된다.
Tb-Fe-B계 합금 박막의 조성은 다음과 같다.
TbxFeyBz
이때, x, y, 및 z는 원자%로서,
43.5 ≤ x ≤ 62.4
37.3 ≤ y ≤ 56.5
z ≤ 0.4
(단, x + y + z = 100임).
따라서, 본 발명에 의한 실리콘 캔티레버는 상술한 방법으로 실리콘 웨이퍼를 습식 에칭에 의해 두께가 약 수 ㎛ 내지 수십 ㎛인 구조물을 제작하고, 여기에 상기의 조성을 갖는 합금 박막 형태로 상기 구조물 상에 스퍼터링 또는 기타의 물리적 증착법(PVD)을 사용하여 코팅함으로써 제작할 수 있다.
본 발명의 자기변형 박막 실리콘 캔티레버의 특성은 하기 실시예와 비교예를 통해서 보다 명확하게 이해될 것이다.
(실시예)
실리콘의 {100}면을 상술한 방법에 따라서 미세 가공하여, 15 mm(길이) × 10 mm(폭) × 25 ㎛(두께)의 구조물을 제작하였다. 이러한 구조물 위에 고주파 마그네트론 스퍼터링 장치에 의해서 본 발명에서 제시한 조성 범위의 Tb-Fe-B계 합금 박막을 약 1 ㎛의 두께로 코팅함으로써 자기변형 박막 실리콘 캔티레버를 제작하였다.
이와 같은 방법으로 제작된 자기변형 박막 실리콘 캔티레버에 대해서 자기장을 최대 1000 Oe까지 인가할 수 있도록 제작된 전자석을 장착한 광학 현미경을 이용하여 자기장에 따른 변위의 크기를 측정하였다.
표1은 본 발명에 따라 실리콘 웨이퍼를 습식 에칭에 의해 15 mm(길이) × 10 mm(폭) × 25 ㎛(두께)의 구조물을 제작한 후 상기 구조물에 본 발명에서 제시한 Tb-Fe-B계 합금 박막을 1 ㎛ 두께로 코팅한 자기변형 박막 캔티레버의 변위의 크기를 나타낸 도표이다.
표1
조성 (원자%) | 변위 (㎛) | ||||||
Tb | Fe | B | 30 (Oe) | 100(Oe) | 200(Oe) | 500(Oe) | 1000(Oe) |
53.0 | 46.6 | 0.4 | 42 | 50 | 74 | 98 | 116 |
55.5 | 44.1 | 0.4 | 42 | 47 | 57 | 69 | 79 |
56.4 | 43.3 | 0.3 | 39 | 53 | 74 | 94 | 106 |
62.4 | 37.3 | 0.3 | 31 | 32 | 37 | 45 | 53 |
(비교예)
본 발명에서 제시한 조성 범위를 벗어나는 Tb-Fe-B계 합금 박막을 약 1 ㎛ 두께로 코팅한 것을 제외하고는 전술한 실시예들과 동일한 방법으로 자기변형 실리 콘 캔티레버를 제작하고, 이의 변위를 측정하였다.
표2는 본 발명에 따라 실리콘 웨이퍼를 습식 에칭에 의해 15 mm(길이) × 10 mm(폭) × 25 ㎛(두께)의 구조물을 제작하고 이러한 구조물에 본 발명에서 제시한 조성 범위를 벗어나는 Tb-Fe-B계 합금 박막을 1 ㎛ 두께로 코팅함으로써 제작된 자기변형 박막 실리콘 캔티레버에 대해서 합금 박막의 조성 및 인가 자기장에 따른 변위의 크기를 나타낸 도표이다.
표2
조성 (원자%) | 변위 (㎛) | ||||||
Tb | Fe | B | 30 (Oe) | 100(Oe) | 200(Oe) | 500(Oe) | 1000(Oe) |
40.2 | 59.8 | - | 2 | 4 | 9 | 25 | 51 |
65.8 | 34.2 | - | 14 | 16 | 21 | 29 | 33 |
63.8 | 36.2 | - | 7 | 8 | 9 | 13 | 17 |
66.6 | 33.1 | 0.3 | 15 | 19 | 30 | 38 | 46 |
이상에서 본 발명의 조성 범위의 합금 박막이 코팅된 자기변형 박막 실리콘 캔티레버는 낮은 자기장에서도 큰 변위를 하는 것을 확인할 수 있다.
Claims (2)
- 실리콘 기판과, 상기 실리콘 기판의 한면에 코팅된 Tb-Fe-B계 거대 자기변형 합금 박막으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기변형 합금 박막 실리콘 캔티레버.
- 제1항에 있어서, 상기 Tb-Fe-B계 거대 자기변형 합금 박막이 하기의 조성식을 갖는 것을 특징으로 하는 자기변형 합금 박막 실리콘 캔티레버.〈조성식〉TbxFeyBz여기서, x, y, z는 원자%로서, 43.5 ≤ x ≤ 62.4, 37.3 ≤ y ≤ 56.5 및 z ≤ 0.4 (단, x + y + z = 100임)의 관계를 충족한다.
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KR1019980005499A KR100275652B1 (ko) | 1998-02-21 | 1998-02-21 | 자기변형 합금 박막 실리콘 캔티레버 |
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Citations (2)
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---|---|---|---|---|
KR970006944A (ko) * | 1995-07-11 | 1997-02-21 | 마쓰오카 마코토 | 최적시간볼트체결방법 |
KR19990066594A (ko) * | 1998-01-31 | 1999-08-16 | 박원훈 | 자기변형 박막 실리콘 마이크로 캔티레버 |
-
1998
- 1998-02-21 KR KR1019980005499A patent/KR100275652B1/ko not_active IP Right Cessation
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