KR100397090B1 - 박막소재의 특성평가를 위한 정전방식 평가소자 및 그제조방법 - Google Patents
박막소재의 특성평가를 위한 정전방식 평가소자 및 그제조방법Info
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Abstract
본 발명은 박막소재의 변위 및 탄성성질의 평가를 위한 정전방식 평가소자에 관한 것으로, 외부에서 기계적인 하중을 인가하여 평가하는 시험기 없이 박막소재의 미소변위 및 탄성성질을 평가할 수 있는 마이크로미터 크기의 박막소재의 특성평가를 위한 정전방식 평가소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 미세전기기계 시스템을 구성하는 박막소재와 동일한 소재로 전극부와 구동부를 갖는 평가소자를 제작하여, 외부에서 기계적인 하중을 인가하는 시험기 없이 평가소자 자체에서 전압을 인가하여 하중을 인가시키고, 정전기적 인력에 따라 발생하는 미소변위에 의해 박막소재의 특성을 평가할 수 있는 박막소재의 특성평가를 위한 정전방식 평가소자를 제공한다.
Description
본 발명은 박막소재의 특성평가를 위한 정전방식 평가소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 외부에서 기계적인 하중을 인가하여 평가하는 시험기 없이 박막소재의 미소변위 및 탄성성질을 평가할 수 있는 마이크로미터 크기의 박막소재의 특성평가를 위한 정전방식 평가소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
정보전자통신 등의 다양한 분야에 미세 전기기계 시스템의 응용이 활발해짐에 따라 이를 구성하는 박막소재의 사용도 광범위해지게 되었다. 예를 들면, HDD의 읽기/쓰기 헤드에 부착되는 미소구동기가 그러한 것이다.
도1은 HDD의 읽기/쓰기 헤드용 정전방식 미소구동기의 구성을 나타내는 개략도이다.
통상적으로 차세대 초고밀도 HDD 시스템은 기록밀도가 증가할수록 트랙밀도가 증가하므로 정밀하면서도 고속 제어가 가능해야 한다. 따라서 이를 위해 듀얼 스테이지 서보 시스템에 읽기/쓰기 헤드를 부착한 미소구동기가 사용되고 있다.
도1을 참조하면, 헤드 부착형 미소구동기는 부상 가능하게 설치된슬라이더(10)의 후미에 부착된다. 이를 위해 미소구동기(12)는 베이스판(14)이 슬라이더(10)의 후미에 전기적으로 절연되어 본딩 부착된다. 베이스판(14)에는 각각 복수개의 컴(comb)을 가지고, 각 컴마다 n개의 핑거가 형성되어, 서로 일정한 거리를 두고 대향되게 복수개의 고정컴(16)이 고정설치된다. 또한 베이스판(14)에서 일정간격을 유지하여 부상되어 있는 이동컴(18)은 각각 복수개의 컴을 가지고, 각 컴마다 n+1개의 핑거가 형성되어, 이 핑거들이 각 고정컴(16)들의 핑거 사이에서 선형적으로 좌우 왕복운동이 가능하게 설치되어 있다.
한편, 헤드 설치 기판(20)은 이동컴(18)의 중앙에서 베이스판(14) 상에 설치되며, 헤드팁을 가지는 읽기/쓰기 헤드(22)가 어느 한쪽에 설치된다. 또한, 이동컴(18)의 양단에는 소정의 탄성계수를 가지는 스프링(24)이 부착되며, 한쌍의 앵커(26)는 이러한 스프링(24)을 지지하면서, 고정컴(16) 및 이동컴(18)에 전원을 공급한다. 앵커(26)는 베이스판(14)상에 고정설치된다.
또한, 베이스판(14)상에는 읽기/쓰기 신호를 전달하는 신호배선(28)이 금속증착 공정에 의해 형성되고, 이 신호배선(28)을 외부로 연결하는 시그날 패드(30)가 형성된다. 시그날 패드(30)는 슬라이더(10)에 설치된 커넥터(도면상 미도시)와 연결되며, 커넥터에는 신호증폭기까지 연결된 신호선이 설치되어 있다.
미소 구동기(12)의 고정컴(16)에 필요한 제어신호전압을 가하면 정전기력이 발생하고 이에 비례하는 인력이 작용하여 이동컴(18)을 고정컴(16)쪽으로 당기게 된다. 이때, 이동컴(18)는 스프링(24)에 연결되어있기 때문에, 정전기력과 탄성력이 힘의 평형을 이루는 상태에서 움직임을 멈추게 된다. 이와 같이, 미소구동기(12)내부에 존재하는 다수의 고정컴(16)과 이동컴(18) 사이마다 정전기력이 발생함에 따라 읽기/쓰기 헤드(22)가 부착된 헤드설치기판(20)이 미소변위를 발생하므로, 헤드팁이 미소이동을 행하게 된다. 이 헤드팁의 이동방향은 자기 디스크의 반경방향을 따라 자기 트랙사이를 이동한다. 헤드팁이 자기 디스크에 기록된 정보를 읽고 그 신호가 신호배선(28)을 통해 시그날 패드(30)에 전달되어 신호증폭장치로 보내지게 된다.
상기와 같은 구성과 작용을 가지는 미소구동기(12)와 같이 전기적인 힘에 의하여 기계적으로 구동하는 미세한 전기기계 시스템에 응용되는 박막소재의 경우, 이의 특성을 평가해야 할 필요성이 있으나, 그 크기가 매우 작기 때문에 측정을 위한 시스템이 적절하지 못한 실정이다. 종래에는 박막소재의 특성평가를 위해 외부에서 기계적 수직하중을 인가하여 변위를 발생시키는 것이 일반적이었다. 그러나, 소재의 크기가 마이크로미터 이하로 작아짐에 따라 하중을 인가하는 방법에 있어서 많은 한계가 있었다. 이를 해결하기 위해 미세한 시편을 제작하여 소형인장시험기를 이용하여 특성을 평가하는 방법이 시도되고 있지만, 시편을 고정시키는 데 어려움이 많았고 시편의 조작이 매우 어려워 비틀림 등의 현상이 발생하므로 실험결과의 오차가 매우 크게 나타나는 문제점이 있었다.
만약, 박막소재와 동일한 소재로 평가소자를 제작하여 외부에서 기계적인 하중을 인가하여 시험하는 시험기 없이 평가소자 자체에서 하중인가가 가능하도록 한다면 시편을 고정시키거나 시험기 내에서 조작해야 하는 불편함이 없을 것이지만, 지금까지 이러한 평가소자는 없었다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여, 미세전기기계 시스템을 구성하는 박막소재와 동일한 소재로 전극부와 구동부를 갖는 평가소자를 제작하여, 외부에서 기계적인 하중을 인가하는 시험기 없이 평가소자 자체에서 전압을 인가하여 하중을 인가시키고, 정전기적 인력에 따라 발생하는 미세변위에 의해 박막소재의 특성을 평가할 수 있는 박막소재의 특성평가를 위한 정전방식 평가소자 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도1은 HDD의 읽기/쓰기 헤드용 정전방식 미소구동기의 구성을 나타내는 개략도.
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 박막소재의 특성평가를 위한 정전방식 평가소자의 사시도.
도3a 내지 도3d는 본 발명의 일실시예에 따른 정전방식 평가소자의 제조 공정을 보여주는 구조단면도.
도4는 도2의 평가소자를 이용하여 시험하였을 때 나타나는 정전기력-변위의 관계를 나타내는 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
37 : 기판 40 : 제1전극
42 : 제2전극 44 : 고정컴
46 : 제1핑거 48 : 이동컴
50 : 제2핑거 52 : 이동빔
54 : 게이지부 56 : 게이지패턴 지지부
58 : 게이지
100 : 기판 102 : 절연막
104 : 산화막(희생층) 106 : 다결정실리콘(평가용 박막)
108 : 제거되지 않은 희생층
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여, 기판에 고정되며 전압이 인가되는 제1전극과; 이동빔의 말단에 형성되며 기판에 고정되고 전압이 인가되는 제2전극과; 제1전극의 말단에서 좌우로 연장되며 n개의 핑거를 갖고 기판에 고정되는 고정컴과; 고정컴의 핑거 사이사이에 형성된 n+1개의 핑거를 갖고, 기판에 일정간격을 두고 부상되어 제1전극과 제2전극에 전압이 인가될 때 발생한 인력에 의하여 상기 고정컴 쪽으로 이동하는 이동컴과; 이동컴에서 연장되며 기판에 일정간격을 두고 부상되어 이동컴을 이동하게 하는 이동빔과; 이동빔에 의해 발생한 이동컴의 미소변위를 측정하기 위한 게이지부;를 갖는 박막소재의 특성평가를 위한 정전방식 평가소자를 제공한다.
또한, 본 발명은 제1전극과 제2전극 사이의 간격은 40~60㎛이고, 고정컴과 이동컴 사이의 간격은 8~12㎛이며, 고정컴 및 이동컴의 길이와 폭은 각각 50~70㎛와 15~25㎛인 것을 특징으로 하는 박막소재의 특성평가를 위한 정전방식 평가소자를 제공한다.
또한, 본 발명은 제1전극, 제2전극, n개의 핑거를 갖는 고정컴, 고정컴의 핑거 사이사이에 형성된 n+1개의 핑거를 가지며 제1전극과 제2전극에 전압이 인가될 때 발생한 인력에 의하여 고정컴 쪽으로 이동하는 이동컴, 이동컴에서 연장되어 이동컴을 이동하게 하는 이동빔, 이동빔에 의해 발생한 이동컴의 미소변위를 측정하기 위한 게이지부를 갖는 박막소재의 특성평가를 위한 정전방식 평가소자의 제조방법으로, 기판상에 절연막과 희생층을 형성한 후, 평가소재용 박막을 증착하는 제1단계와; 사진 묘화 공정 및 식각(건식 또는 습식)공정을 이용하여 제1전극, 제2전극, 고정컴, 이동컴, 이동빔, 게이지부를 패터닝하는 제2단계와; 희생층을 제거하되, 이동컴과 이동빔의 하부에 위치하는 희생층은 전부 제거하고 나머지의 하부에 위치하는 희생층을 일부는 제거되나 일부는 남아있게 하여, 이동컴과 이동빔은 기판에 부상되어 있게 하고, 나머지는 기판에 희생층에 의해 부착되어 있게 하는 제3단계;를 갖는 박막소재의 특성평가를 위한 정전방식 평가소자의 제조방법을 제공한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 박막소재의 특성평가를 위한 정전방식 평가소자 및 그 제조방법을 상세하게 설명한다.
1. 정전방식 평가소자
도2는 본 발명에 따른 박막소재의 특성평가를 위한 정전방식 평가소자의 사시도를 나타낸다.
도2를 참조하면 박막소재의 특성평가를 위한 정전방식 평가소자(35, 이하 '평가소자'라 한다)는 제1전극(40), 제2전극(42), 고정컴(44), 제1핑거(46), 이동컴(48), 제2핑거(50), 이동빔(52) 및 게이지부(54)를 포함한다.
제1전극(40), 제2전극(42), 고정컴(44), 제1핑거(46), 이동컴(48), 제2핑거(50), 이동빔(52)은 모두 같은 종류의 박막소재로 이루어진다.
제1전극(40)과 제2전극(42)은 기판(37)에 고정되어 있으며, 고정컴(44)과 이동컴(48) 사이에 정전기력을 발생시키기 위하여 전압이 인가되는 부분이다. 전압의 인가는 탐침을 통해서 이루어진다.
고정컴(44)과 이동컴(48)은 도1에서 설명한 고정컴(16) 및 이동컴(18)과 같은 종류의 것으로서, 평가소자(35)의 변위 측정을 위해 동일하게 제작한 것이다.
고정컴(44)은 제1전극(40)의 말단에서 좌우로 연장되며, n개의 핑거(46)가 돌출되어 있어 빗 형상을 띠고 있다. 고정컴(44)의 높이는 제1전극(40)의 높이와 같고, 제1전극(40)과 마찬가지로 기판에 고정된다.
이동컴(48)은 고정컴(44)의 제1핑거(46) 사이사이에 형성된 n+1개의 제2핑거(50)를 갖기 때문에 역시 빗 형상을 띤다. 이동컴(48)은 기판(37)에 일정간격을 두고 부상되어 있어서, 제1전극(40) 및 제2전극(42)에 전압이 인가될 경우 발생된 정전기적 인력에 의해 고정컴(44) 쪽으로 이동할 수 있다.
효율적인 정전기력의 인가를 위하여 제1전극(40)과 제2전극(42) 사이의 간격은 50㎛, 고정컴(44)과 이동컴(48) 사이의 간격은 10㎛, 고정컴(44) 및 이동컴(48)의 길이와 폭은 각각 60㎛와 20㎛로 한다.
이동빔(52)은 제2전극(42) 및 이동컴(48)과 연결되어 있으며, 기판(37)에 일정간격을 두고 부상되어 있어서, 제1전극(40) 및 제2전극(42)에 전압이 인가될 경우 고정컴(44)과 이동컴(48) 사이에 발생한 정전기적 인력에 의해 하중을 전달받고 미소변위를 발생시키는 부분이다.
게이지부(54)는 이동컴(48)의 이동에 따라 발생한 이동빔(52)의 미소변위를 측정하기 위한 부분이다. 게이지부(54)는 게이지패턴 지지부(56)와 게이지(58)로 구성되며, 일정간격의 게이지(58)를 통해 이동컴(48)이 얼마나 이동하였는지를 측정한다.
2. 정전방식 평가소자의 제조방법
도3a 내지 도3d는 본 발명의 일실시예에 따른 정전방식 평가소자의 제조 공정을 보여주는 구조단면도이다. 여기서, 본 발명은 다결정 실리콘(polysilicon)을 박막소재로 이용하고 산화막을 희생층으로 이용하여 구현하였다. 물론, 예시한 공정 외에 도금이나 딥(deep), RIE(reactive ion etch)등을 이용하여 구현할 수도 있는데, 이 때에는 증착공정 대신 도금 등의 공정으로 대체하면 동일한 형상을 구현할 수 있다. 즉, 박막소재의 종류가 달라지면 제조공정은 그 박막소재의 반도체 공정에 따른다.
도3a 내지 도3d의 평가소자의 제조공정을 단계별로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도3a에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(100)상에 실리콘 질화막(Si3N4)등의 절연막(102)을 형성한다. 절연막(102) 위에 희생층으로 산화막(104)을 증착한다.
다음 단계로, 도3b에 도시한 바와 같이 산화막(104) 위에 평가용 박막에 해당하는 다결정실리콘(106)을 증착한 후, 도3c에 도시한 바와 같이 사진 묘화 공정 및 식각(건식 또는 습식)공정을 이용하여 도2에 도시한 평가소자의 구성요소들, 즉 제1전극(40), 제2전극(42), 고정컴(44), 제1핑거(46), 이동컴(48), 제2핑거(50), 이동빔(52), 게이지패턴 지지부(56), 게이지(58)을 패터닝(patterning)한다. 이동컴(48), 제2핑거(50), 이동빔(52)은 폭을 작게 패터닝하고, 제1전극(40), 제2전극(42), 고정컴(44), 제1핑거(46), 게이지패턴 지지부(56), 게이지(58)은 폭을 이동컴(48), 제2핑거(50), 이동빔(52)의 폭보다 크게 패터닝한다.
여기서, 다결정 실리콘(106)은 증착시, 증착과 동시에(in situ) 불순물을 주입하거나 또는 다결정 실리콘(106)증착 후, 불순물을 확산이나 이온 주입법 등으로 도핑(doping)할 수 있다.
다음 단계로, 도 3d에 도시된 바와 같이 남아 있는 산화막(104)을 HF계열의 용액 등으로 제거한다. 이동컴(48), 제2핑거(50), 이동빔(52)은 폭이 작게 패터닝되어 있으므로, 산화막(104) 제거시 이들의 하부에 위치하는 산화막(104)은 모두 제거된다. 따라서, 이동컴(48), 제2핑거(50), 이동빔(52)은 기판(37)에 부상되게 된다. 한편, 제1전극(40), 제2전극(42), 고정컴(44), 제1핑거(46), 게이지패턴 지지부(56), 게이지(58)는 폭을 이동컴(48), 제2핑거(50), 이동빔(52)의 폭보다 크게 패터닝되어 있으므로, 산화막(104) 제거시 이들의 하부에 위치하는 산화막(104)의 일부는 제거되나 일부(108)는 제거되지 않고 기판에 남아있게 된다. 따라서, 제1전극(40), 제2전극(42), 고정컴(44), 제1핑거(46), 게이지패턴 지지부(56), 게이지(58)은 산화막(104)에 의해 기판에 부착되게 된다.
HF 용액 등을 이용한 산화막 식각 후에 식각액, 기체, 증기 상태의 식각용 화학 물질을 세정한 다음, 세척액을 건조하여 평가소자를 릴리즈(release)한다.
3. 실험실시예
이하, 도2 및 도4를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 평가소자(35)를 이용하여 정전방식 평가소자를 평가하였 때의 작동에 대해서 설명한다.
도2를 참조하면, 제1전극(40)과 제2전극(42) 사이에 탐침을 통하여 전압이 인가되면, 인가된 전압이 고정컴(44)과 이동컴(48)로 신호를 전달하고, 서로 대향하는 고정컴(44)과 이동컴(48) 사이에 정전기력이 발생한다. 이때 발생하는 정전기적 인력이 이동빔(52)에 하중을 전달하여 측면으로 움직이는 미소변위가 발생한다.미소변위의 측정은 게이지(58)를 현미경을 통해 관찰함으로써 이루어진다.
여기에서 얻어지는 정전기력(하중)-변위의 관계로부터 탄성성질의 분석이 가능하다.
도3은 상기와 같이 시험하였을 때 나타나는 정전기력-변위의 관계를 나타내는 그래프이다. 그래프 상에서 가로축은 정전기력을 나타내고, 세로축은 발생한 미소변위를 나타내며, 정전기력에 따른 미소변위의 관계는 직선의 형태로 나타난다. 이처럼 본 발명에 따른 정전방식 평가소자를 이용하므로 이전에 측정할 수 없었던미소변위까지 측정, 관찰할 수 있었다. 여기에서 얻어지는 정전기력(하중)-변위의 관계로부터 탄성성질의 분석이 가능하였다.
본 발명은 미세전기기계 시스템을 구성하는 박막소재와 동일한 소재로 전극부와 구동부를 갖는 평가소자를 제작하여, 외부에서 기계적인 하중을 인가하는 시험기 없이 평가소자 자체에서 전압을 인가하여 하중을 인가시키고, 정전기적 인력에 따라 발생하는 미세변위에 의해 박막소재의 특성을 평가할 수 있다.
Claims (3)
- 기판에 고정되며 전압이 인가되는 제1전극과;하기 이동빔의 말단에 형성되며 상기 기판에 고정되고 전압이 인가되는 제2전극과;상기 제1전극의 말단에서 좌우로 연장되며 n개의 핑거를 갖고 상기 기판에 고정되는 고정컴과;상기 고정컴의 핑거 사이사이에 형성된 n+1개의 핑거를 갖고, 상기 기판에 일정간격을 두고 부상되어 상기 제1전극과 상기 제2전극에 전압이 인가될 때 발생한 인력에 의하여 상기 고정컴 쪽으로 이동하는 이동컴과;상기 이동컴에서 연장되며 상기 기판에 일정간격을 두고 부상되어 상기 이동컴을 이동하게 하는 이동빔과;상기 이동빔에 의해 발생한 상기 이동컴의 미소변위를 측정하기 위한 게이지부;를 갖는 박막소재의 특성평가를 위한 정전방식 평가소자.
- 제1항에 있어서, 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이의 간격은 40~60㎛이고, 상기 고정컴과 상기 이동컴 사이의 간격은 8~12㎛이며, 상기 고정컴 및 상기 이동컴의 길이와 폭은 각각 50~70㎛와 15~25㎛인 것을 특징으로 하는 박막소재의 특성평가를 위한 정전방식 평가소자.
- 제1전극, 제2전극, n개의 핑거를 갖는 고정컴, 상기 고정컴의 핑거 사이사이에 형성된 n+1개의 핑거를 가지며 상기 제1전극과 상기 제2전극에 전압이 인가될 때 발생한 인력에 의하여 상기 고정컴 쪽으로 이동하는 이동컴, 상기 이동컴에서 연장되어 상기 이동컴을 이동하게 하는 이동빔, 상기 이동빔에 의해 발생한 상기 이동컴의 미소변위를 측정하기 위한 게이지부를 갖는 박막소재의 특성평가를 위한 정전방식 평가소자의 제조방법으로,기판상에 절연막과 희생층을 형성한 후, 평가소재용 박막을 증착하는 제1단계와;사진 묘화 공정 및 식각(건식 또는 습식)공정을 이용하여 상기 제1전극, 제2전극, 고정컴, 이동컴, 이동빔, 게이지부를 패터닝하는 제2단계와;상기 희생층을 제거하되, 상기 이동컴과 상기 이동빔의 하부에 위치하는 희생층은 전부 제거하고 나머지의 하부에 위치하는 희생층을 일부는 제거되나 일부는 남아있게 하여, 상기 이동컴과 상기 이동빔은 기판에 부상되어 있게 하고, 나머지는 기판에 희생층에 의해 부착되어 있게 하는 제3단계;를 갖는 박막소재의 특성평가를 위한 정전방식 평가소자의 제조방법.
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