KR100838188B1 - 압전소자의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
피가공 압전 재료(11)의 표면에 마스크 재료가 패터닝된 막(12)으로서 도포되어, 용매 증기(V)와 접촉시켜 유동화되고 그 마스크 재료의 표면 장력에 의해 융기 마스크(14)로 드레싱된다. 압전 재료가 융기 마스크(14)와 함께 드라이에칭될 때, 그 표면이 융기 마스크(14)의 두께 분포에 따라 볼록 형상으로 가공된다. 융기 마스크(14)의 분포 및 형상은 표면처리제(13)로 압전 재료(1)를 처리하여 구체적인 영역으로 마스크 재료의 리플로를 한정함으로써 제어된다. 가공된 압전 재료는 부진동이 없이 주진동에 적합한, 중심에 큰 질량을 가진 표면형상을 갖는다.
압전 재료, 마스크 재료, 패터닝, 용매 증기, 표면 장력, 드라이에칭,
Description
본 발명은 중앙부에 큰 질량을 분포시킨 3차원 형상의 표면을 갖는 압전소자의 제조 방법에 관한 것이다.
기준 주파수의 발신원, 전자전기기구의 클록등, 광범위한 분야에서 수정진동자로 표시되는 압전소자가 사용되어 왔다. 데이터 처리 또는 전달 능력을 고성능화하기 위한 압전 재료의 박형화 방법 및 렌즈 형상으로의 압전 재료의 가공법에 대한 최신 연구 및 개발이 진행되어 왔다.
수 밀리미터 이상의 직경의 전극을 가진 대형의 진동자에 있어서, 압전 재료는 습식 프로세스에 의해 융기 형상으로 에칭된 후에 이 융기 형상의 기계 연마 에지에 의해 곡면을 가진 형상으로 드레싱된다. 1mm 이하의 직경의 전극을 가진 소형의 진동자에 있어서, 압전 재료는 보다 적은 지지 손실을 가진 고품질 진동자의 제조에 적합한 형상으로 볼록가공된다.
압전 재료가 제품 형상과 유사한 중간 형상으로 기계가공된 후에 제품 형상으로 드라이에칭되는 드라이 공정(JP 2002-368572 A)이 향상된 오목면가공의 일형태로서 제안되어 있다. 다른 공지된 기술은 마이크로몰드 또는 리플로(Li L. et al., Tech. Digest of Transducers(2003), pp.508-511) 및 드라이 공정(JP 2003- 234632 A)을 사용하는 마이크로공정법이다. 드라이 가공에 따라, 감광제가 먼저 압전 재료의 표면에 도포된다. 그후에 감광제는 포토마스크를 통해 전달되는 광의 에너지를 제어함으로써, 소정의 두께 분포를 가진 포토마스크로 형상화된다. 그래서, 압전 재료는 두께가 제어된 포토마스크와 함께 제품 형상으로 드라이에칭된다.
이러한 공지된 방법에 의해 제조된 진동자는 분자의 흡착을 공진 주파수의 변화로서 검출하는 수정진동자 마이크로밸런스(QCM)로서 사용가능하다. 멀티채널 타입의 QCM이 또한 이러한 수정결정 진동자의 어레이 정렬에 의해 제공된다.
열 리플로 방법에 의해 형상화될 수 있는 융기 형상은 열유동으로 인해 이동가능한 거리가 최대 수 십 마이크로미터이기 때문에, 직경이 최대 수백 ㎛ 정도로 한정된다. 물론 압전 재료가 수십 마이크로미터 이상의 두께의 레지스트막을 사용함으로써 보다 큰 융기 형상으로 형상화되지만, 이러한 보다 두꺼운 레지스트막은 두께가 보다 불균일하다. 두께 분포의 불균일성은 제품 형상에 악영향을 준다. 소정의 두께 분포가 광의 에너지를 제어함으로써 레지스트막에 형성되는 다른 공정은 종래의 공정과 비교하여 요구되는 마스크의 배치에 극히 비용이 많이 들어, 그 적용대상이 경제적 문제로 인해 제한되어 있다.
정밀하게 제어된 두께 분포를 가진 마스크가 재료의 표면상에 설치된다면, 이 재료는 두께 분포에 상응하는 표면 형상으로 가공될 수 있고, 그 결과 질량부하에 대한 진동특성의 안정성을 얻을 수 있다. 본 발명자는 이러한 관점에서 이러한 두께 분포의 제어를 연구하였고 새로운 공정을 JP 2004-349365A에 제안하였다. 제안된 공정에 따르면, 압전 재료의 표면상에 도포된 후에 패터닝된 마스크 재료는 이 마스크 재료를 열로 용융시키거나 이 마스크 재료를 정밀 다이로 스탬핑함으로써 제어된 두께 분포를 가진 형상으로 드레싱되었다.
본 발명자는 압전 재료의 표면에 도포되는 마스크 재료의 두께 분포에 대하여 계속 추가적으로 연구 및 조사하였고 마스크 재료의 독특한 움직임을 발견하였다. 즉, 압전 재료에 도포된 마스크 재료가 용매 증기와 접촉하여 재용해될 때, 표면장력으로 인해 윗방향으로 상승한다. 마스크 재료의 리플로 모션은 두께 분포를 제어하는데 효과적이다.
본 발명의 주요 목적은 임의의 사이즈 제한 없이 마스크막에 소정의 두께 분포를 용이하게 반영시키는 것이다. 본발명의 또 다른 목적은 마스크의 두께 분포에 상응하는 표면 형상을 가진 압전소자를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 마스크 재료는 압전 재료의 표면상에 도포되고 소정의 패턴으로 형상화된다. 그래서, 이 마스크 재료는 용매 증기와 접촉 유지되어 압전 재료의 표면상에 마스크 재료의 리플로가 촉진된다. 리플로 모션은 압전 재료의 표면 위 상방향으로 마스크 재료를 상승시키고, 그 결과 소정의 두께 분포를 가진 드레싱된 마스크가 형성된다. 그래서, 압전 재료는 드레싱된 마스크와 함께 드라이에칭된다. 그 결과, 압전 재료는 드레싱된 마스크의 두께 분포에 상응하는 3차원 형상으로 가공된다.
이 마스크 재료는 압전 재료의 피가공면이 도포된 후 압전소자의 형성을 위해 소정의 패턴으로 형상화된다. 이 압전소자의 형성 이외의 나머지 표면은 발유처리되는 것이 바람직히다. 발유처리된 면은 용매 증기와 접촉하여 유동화된 마스크 재료를 흘리고, 마스크 재료의 리플로를 억제하고 소정의 영역에서 마스크 재료가 응집하게 한다. 이러한 발유처리는 마스크 재료의 도포 이전 또는 이후에, 용매에대한 젖음성이 낮은 박막을 설치하는 방법 또는 발유제를 도포시키는 방법에 의해 실행될 수 있다.
포토레지스트등의 마스크 재료가 압전 재료의 피가공면에 도포된 후에 용매 증기의 스트림과 접촉하여 유동화될 때, 마스크 재료는 소정의 두께 분포를 가진 볼록 형상으로 윗방향으로 상승된다. 이러한 두께 분포는 수 마이크로미터에서 수 센티미터에 이르는 범위내의 곡면 반경을 가진, 즉, 종래의 열 리플로 공정과 비교하여 적용가능한 범위가 넓은 융기 형상으로 압전 재료의 표면을 재형성시키는데 유리하다. 용매 증기의 유량은 질소등의 불활성 가스에 의해 희석된 용매를 공급함으로써 제어되고, 용매 증기의 균일한 흐름은 샤워 헤드를 사용함으로써 확보된다.
일부가 발유처리된 표면을 갖는 압전 재료는 다른 표면부로의 마스크 재료의 리플로를 제한한다. 리플로 모션을 제한함으로써 압전재료의 소정의 피가공면상에 소정의 두께 분포를 가진 하나 이상의 융기 마스크를 형성할 수 있다. 이 압전 재료를 융기 마스크와 함께 드라이에칭함으로써, 융기 마스크로 코팅된 표면부는 융기 마스크의 두께 분포에 상응하는 3차원 형상으로 가공된다. 요컨대, 본 발명은 소정의 패턴으로 복수의 압전소자를 배치한 멀티채널 압전 디바이스의 제조에 적용가능하고, 고기능 센서로서 사용할 수 있다.
도 1은 압전 재료에 3차원 볼록 형상으로 가공하는 드라이에칭 프로세스를 설명하는 플로차크, 및
도 2는 압전소자를 지지기판에 접착한 단면도.
본 발명에 따라, 압전소자가 다음의 공정으로 제조된다.
압전재료의 기판(11)에 감광성 수지등의 마스크재료를 도포하고, 소망의 막두께를 갖는 마스킹 필름(12)에 패터닝한다(도 1a). 복수의 압전소자를 기판(11)에 만든 경우에, 마스킹 필름(12)의 클로즈-패킹된 패턴은 고밀도로 압전소자를 배치하는데 바람직하다. 마스킹 재료는 광리소그래피, 레이저 라이팅, 스크린 인쇄등에 의해 소정의 패턴 형성이 가능한 유기 폴리머, 무기 폴리머, 또는 솔겔막 형성용 전구체일 수 있다.
패터닝된 마스킹 필름(12)이 형성된 후에, 압전소자 형성 이외의 기판(11)의 표면장력을 감소시키도록 마스크 재료의 용매를 튀기는 적합한 표면 처리제로 수정된다. 표면처리제 대신에 기판(11)의 피가공면상에 보다 적은 젖음성을 갖는 발유 피막이 설치될 수 있다. 표면 처리제는 마스크 재료의 종류에 대응하여, 그 분자내에 -CH3, -CF3, -(CH2)- 또는 -(CF2)-와 같은 관능기를 각각 포함하는 유기 및 무기 폴리머로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 대표적인 처리제는 플루오로카본 또는 실리콘 폴리머이다.
기판(11)은 표면수정된 후에 챔버에 세팅되고 용매증기(V)를 포함하는 불활성 기체는 챔버내의 기판(11)상으로 보내어진다. 결과적으로, 마스크 재료는 용매내에서 재용해되어 기판(11)의 표면상에 유동화된다. 이 용매는 마스크 재료를 효과적으로 용해시키기 위해 휘발성 물질, 예를 들면, 크실렌, 톨루엔, 아세콘 또는 알콜일 수 있다. 포토레지스크등의 시판 마스크 재료가 사용되는 경우에는, 포토레지스트 전용의 시너등의 용매가 사용될 수 있다.
마스크막(12)과 접촉하는 용매증기(V)의 부피가 증가함에 따라, 용매로의 마스크 재료의 용해가 보다 촉진되고, 이 마스크 재료는 점성의 감소로 인해 유동성이 증가한다. 용매 증기(V)는 충분한 증기량을 확보하기 위해 불활성 가스에 의해 희석되는 것이 바람직하고, 불활성 가스의 공급량에 의해 적합한 용매농도로 제어된다. 용매 증기(V)는 기판(11)의 기판상의 마스크 재료의 균일한 용해 및 유동화를 확보하기 위해, 샤워 헤드에 의해 기판(11)의 표면에 균일한 플로 분포를 가진 스트림으로써 공급된다. 용매 증기(V)의 공급동안 용매의 증발 온도보다 낮은 온도에서 기판(11)을 유지함으로써 기판(11)의 표면상의 용매의 선택된 농축이 가능하다.
유동화된 마스크 재료는 기판(11)의 표면의 일부에서 융기된 마스크(14)로서 모여 융기된다(도 1c). 융기 마스크(14)의 곡면은 마스크 재료의 두께에 대응하여 변화되고, 곡면의 반경은 마스크막(12)의 두께의 증가에 따라 보다 작아진다. 또한 중력의 영향 역시 기판(11)을 상하방향 위치로 세팅함으로써, 유기 마스크(14)를 형성하기 위해 사용된다.
마스크 막(12)이 융기 마스크(14)로 형성될 때, 소자형성부를 제외한 피가공기판(11)의 피가공면이 발유처리제나 발유성 막으로 인해 용매에 반발하기 때문에, 마스크 재료의 유동화는 압전소자의 형성부에 한정된다. 물론, 발유처리는 기판(11)이 용매에 대하여 젖음성이 낮은 압전 재료인 경우에는 생략될 수 있다.
융기 마스크(14)의 형성후에, 기판은 용매의 증발을 위해 가열되고 UV선을 조사하여 이 융기 마스크(14)를 경화시킨다(도 1d). 그다음, 기판(11)의 표면은 융기 마스크(14)의 두께 분포에 상응하는 3차원 형상(15)으로 드라이에칭된다.
퍼플루오르카본(PFC), SF6, 염소 또는 요소계의 가스가 드라이에칭 공정에서 선택반응성 가스(G)로서 사용될 수 있다. 이 선택반응성 가스(G)는 기판(11)을 선택적으로 가공하거나 취약화하기 위한 라디칼의 공급원이고, 반응 존에 단독으로 또는 고밀화된 플라즈마로서 공급된다. 이 선택 반응성 가스(G)는 기판을 물리적으로 에칭하기 위한 비선택반응성 가스, 예를 들어, Ar, Kr, 또는 Xe, 또는, 제어된 선택성을 가진 융기 마스크(14)를 에칭하기 위한 선택성 제어 가스, 예를 들어, H2, 또는 O2와 혼합될 수 있다.
가공속도비는 드라이에칭동안의 비선택 반응성 가스 또는 선택성 제어 가스의 선택반응성 가스(G)와의 혼합비에 대응하여 제어될 수 있다. 예를 들어, 혼합 가스는 융기 마스크(14)의 드라이에칭 동안 비선택 반응성 가스가 풍부한 조성으로부터 선택반응성 가스가 풍부한 조성으로 변환된다. 이러한 경우에, 기판(11)의 표면은 상기 가스 조성 변화 전의 융기 마스크(14)의 두께 분포를 모방한 형상이 되도록 처리되고, 기판(11)은 가스 조성의 변화 후에 우선적으로 에칭된다. 그 결과, 기판(11)의 표면은 융기 마스크(14)의 두께 분포를 증폭시킨 3차원 형상(15)으로 가공된다.
기판(11)의 표면이 소정의 형상(15)으로 가공된 후에, 드라이에칭에 의해 손상부는 하이드로플르오르산등에 의해 제거되고, 그후에 기판(11)을 세정한다. 그래서, 전극의 형성을 위해 마스크 증착 또는 포토레지스트 막을 사용하는 직접 패터닝 가공에 의해 목표로 하는 압전소자가 제조된다.
제조된 압전소자(20)는 도 2에 도시된 바와 같이, 기계적 강도를 위해 실리콘 수지와 같은 접착제에 의해 두꺼운 지지기판(21)에 고정된다. 지지기판(21)에는 안에 압전소자(20)의 볼록면(20a)을 수용하기 위한 오목형구멍(21a)이 형성되어 있다. 기판(11)의 인접한 오목형구멍(21a) 사이에 그리고 외부에 대향하는 부분에 조정홈(21b)을 형성하는 경우에, 외부와의 기판(11)의 압력차나 온도차가 감소된다. 압전소자(20)의 진동 특성은 표면전극(23a) 및 이면전극(23b)을 통하여 얻어진다.
실시예
두께가 100㎛인 AT 컷트 수정판이 기판(11)으로서 제공된다. 프롤필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트(PGMEA), 즉, (클라리언트 주식회사에 의해 제공되는) 포토레지스트 AZP4400 전용 용매를 75℃ 이상으로 가열하고 질소가스로 이 용매를 버블링함으로써 용매 증기(V)가 준비되었다.
포토레지스트를 기판(11)에 마스크 재료로서 스핀 코팅하여, 기판(11)상에 평균 두께 6㎛의 마스크 막(12)을 형성하였다. 마스크 막(12)이 포토리소그래피에 의해 소정의 패턴에 형성된 후에, 헥사메틸디질라잔(HMDS)이 기판의 피가공면에 표면처리제(13)로서 적용되어, 마스크 막(12)과 함께 코팅되지 않았던 기판(1)의 표면장력을 감소시켰다.
기판(11)의 표면이 건조된 후에, 기판(11)은 챔버내의 스테이지에 위치되었고 상온근방에서 유지되었다. 스테이지상의 기판(11)의 대향배치된 불소수지 튜브를 통해 기판(11)의 피가공면상에 용매 증기(V)를 공급하고 마스크 막(12)과 접촉시켰다. 용매 증기(V)는 마스크 막(12)의 포토레지스트상에 선택적으로 농축되었다. 그 결과, 포토레지스는 가스 공급의 개시로부터 10분 경과후에 반원형 융기 마스크(14)로 유동화되었다.
융기 마스크(14)가 소정의 융기 형상으로 형성되었을 때, 불소수지 튜브를 통해 공급된 용매 증기(V)가 단독 질소 가스로 변화되었다. 이 질소 가스는 융기 마스크(14)가 건조될 때까지 계속 공급되었다. 그래서, 융기 마스크(14)의 포토레지스트는 가열 및 UV 조사에 의해 경화되었다. 이 경화된 융기 마스크(14)는 그 중심에서 14㎛의 두께가 그 주변에서 0 ㎛로 점차 감소되는 반원형상을 가졌다.
그다음, 기판(11)은 0.2Pa, -300 V의 셀프 바이어스 전압, 상온의 조건하에서 SF6:Xe = 1:1의 가스 혼합물에 의해 드라이에칭되었다. 상기 조건하에서는 선택비가 0.3이었다. 즉, 드라이에칭에 의해 기판(11)에 형성된 3차원 형상(15)의 두께 분포는 수직 방향에 대하여 (융기 마스크(14)의 두께 분포) × (선택비)의 값으 로 변환되었다. 그결과, 3차원 형상(15)의 높이는 그 중심에서 대략 4㎛이었다.
제작된 수정진동자는 공진주파수가 20㎒이고, 미가공의 수정판과 비교하여 50 이상 큰 점탄성 부하에 대하여 직선적인 주파수 응답성을 나타내었다. 0.8㎒ 이상의 고주파수 영역에서도 주진동근방에 아무런 부진동이 검출되지 않았다. 그 결과로부터, 제조된 수정진동자가 진동특성이 안정성에 있어 우수하다는 것을 이해할 수 있다.
상술된 바와 같은 본 발명에 따라, 패터닝된 마스크 막(12)은 피가공기판(11)상에 용매 증기와 접촉시켜 유동화되어, 볼록형 융기 마스크(14)로 드레싱된다. 그후에, 기판(11)은 융기 마스크(14)의 두께 분포를 모방하는 형상으로 드라이에칭된다. 제조된 압전소자는 그 중심에서 큰 질량으로 인해 오일 또는 겔과 같은 점탄성이 높은 용액 또는 거대분자의 계측에 적합한 우수한 진동 특성을 보이고, 그래서 단백질, DNA 쇼트 체인, 생물학, 화학분석 및 의료진단 칩의 고성능 센서로서 사용된다.
Claims (2)
- 압전 재료의 피가공면에 마스크 재료를 도포시키는 단계;상기 마스크 재료의 막을 소정의 마스크 패턴으로 형상화시키는 단계;상기 마스크 재료의 막을 상기 압전 재료의 피가공면상에 융기 형상으로 유동화시키도록 상기 마스크 재료의 막을 상기 마스크 재료를 위한 용매의 증기와 접촉시키는 단계; 및상기 압전 재료를 상기 융기 형상의 두께 분포에 상응하는 3차원 볼록 형상으로 가공하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 압전 재료의 피가공면은 일부가 발유처리되는 것을 특징으로 하는 압전소자의 제조방법.
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