KR100847321B1 - 압전재료의 가공방법 - Google Patents

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Abstract

압전재료 기판(11)상에 소정의 막두께 분포를 갖는 마스크(14)를 설치한 후, 압전재료 기판(11), 마스크(14)의 가공속도차를 이용한 드라이에칭에 의해 목표 삼차원 형상으로 가공한다. 마스크(14)의 막두께 분포는, 리플로우, 정밀형(15)을 사용한 압착 등에 의해 조정된다. 드라이에칭에 사용하는 가스 조성의 조정에 의해서도, 마스크(14)의 막두께 분포를 증폭시킨 삼차원 형상으로 압전재료 기판(11)을 가공할 수 있다. 결함을 도입시키지 않고 압전재료를 소정의 삼차원 형상으로 가공할 수 있어, 고정밀도, 고품질의 압전소자가 얻어진다.
Figure 112005064728512-pct00001
압전재료, 마스크, 드라이에칭, 리플로우, 마스크 계면

Description

압전재료의 가공방법{PIEZOELECTRIC MATERIAL WORKING METHOD}
본 발명은 수정, PZT(티탄산지르콘산납), LiNbO3 등의 압전재료를 임의 형상으로 가공하고, 초음파 진동의 제어, 진동 특성의 개선을 가능하게 한 가공방법에 관한 것이다.
압전소자는 기준주파수의 발진원, 전자전기기기용 클록 등, 광범한 분야에서 사용되고 있고, 정보처리·전달능력을 고성능화 하기 위한 초박형화나 고품질화를 위한 렌즈 형상으로의 가공법에 관한 연구·개발이 진척되고 있다.
전극직경이 수mm 이상의 대형 진동자에서는, 습식 에칭으로 정형한 볼록부의 단면을 기계연마 등으로 곡면으로 가공하는 방법이 채용되고 있다. 전극직경 1mm 이하의 소형 진동자에서는, 오목면 가공에 의해 지지손실을 저감한 고품질의 진동자를 제작하고 있다. 오목면 가공의 하나의 예로서, 최종 목표에 가까운 프로필로 성형한후에 드라이에칭 하는 방법도 일본 특개 2002-368572호 공보에 소개되어 있다.
기계연마에서는, 정반에 부착한 연마천으로 압전재료의 표면을 연마하고 있는데, 압전재료의 결정에 데미지를 주기 쉽다. 또, 연마대에 배치한 작은 진동자 모두를 목표 형상으로 마무리하는 것은 불가능하고, 형상의 자유도도 낮다. 오목면 가공에서는, 박층화에 의한 고주파화, 지지손실의 저감에 의한 높은 Q값을 얻기 쉽지만, 3차원 형상으로의 가공이 곤란하기 때문에 진동자 중앙부에 큰 질량을 분포시키기 어렵다. 그 결과, 질량부하에 대해 진동이 불안정하게 되기 쉽다.
본 발명은, 이러한 문제를 해소하기 위해, 목표 형상에 대응하는 막두께 분포를 갖는 마스크를 압전재료(피가공재)의 표면에 설치한 후에 드라이에칭 함으로써, 대면적에의 대응, 초소형화, 집적화, 가공 자유도가 모두 우수하고, 고정밀도로 삼차원 형상으로 가공된 압전재료를 얻는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 가공방법에서는, 압전재료와 가공속도가 상이한 재료로부터 성막된 마스크를 압전재료의 피가공면에 설치하고, 패터닝 된 마스크 재료의 가열용융, 정밀형의 압착 등에 의해, 마스크에 소정의 막두께 분포를 부여한다. 마스크의 형성에 앞서, 가공속도비를 증폭시키는 박막을 압전재료/마스크의 계면에 개재시켜도 좋다.
마스크가 설치된 압전재료를 드라이에칭 하면, 마스크의 막두께 분포에 상당하는 형상으로 압전재료가 가공된다. 드라이에칭의 초기에 선택반응성이 낮은 가스 조성을 사용하여 마스크, 압전재료의 표면층을 에칭 제거한 후, 압전재료에 대한 선택반응성이 높은 가스 조성으로 바꾸면, 마스크의 막두께 분포가 증폭된 삼차원 형상으로 압전재료가 가공된다.
도 1은 압전재료를 삼차원 가공하는 공정의 흐름도이다.
<발명을 실시하기 위한 최량의 형태>
드라이에칭 된 압전재료는 마스크의 막두께 분포를 반영한 삼차원 형상으로 가공된다. 압전재료와의 관계에서 마스크 재료를 선택하여 압전재료, 마스크의 가공속도비를 조절하고, 또는 반응성이 낮은 가스 조성으로부터 압전재료 에 대한 선택반응성이 높은 가스 조성으로 바꾸면서 드라이에칭 할 때, 마스크의 막두께 분포를 증폭시킨 삼차원 형상으로도 가공할 수 있다. 대면적의 압전재료이어도, 복잡하고 임의의 형상으로의 가공이 용이하다. 게다가, 드라이에칭에 의한 가공이기 때문에, 결정 결함의 원인이 되는 왜곡의 도입이나 이물의 혼입이 없이, 면내방향의 질량분포가 요구에 따라 제어된 고품질의 압전소자가 얻어진다.
진동에너지가 질량에 의존하는 특성을 보이는 압전소자에서는, 미리 요구에 대응한 면내 질량분포를 적정화 하여 전극을 배치할 때, 전기 에너지로부터 기계진동 에너지로의 효율적인 변환이 촉진된다. 그 때문에, 큰 부하가 걸리는 흡착물의 측정, 외계에의 진동의 전파 등의 목적에 대응한 우수한 진동자를 실현하는 점에서, 질량분포를 3차원적으로 정형하는 가공기술이 중요하다.
기계가공, 레이저가공에 의한 경우 가공 자유도는 높아지지만, 대부분의 압전재료는 취성 재료이어서, 가공시의 열로 결정구조가 변화될 우려도 있다. 그 때문에 고품위 진동자의 제작에 적합한 가공법이 요구된다. 이 점에서, 가공시에 기계적, 열적인 응력의 도입이 없는 드라이에칭에 의한 경우, 결정구조에 악영향을 주지 않아 압전재료를 목표로 하는 삼차원 형상으로 고정밀도 가공할 수 있다. 드라이에칭법은, 다른 방법에 비해, 소형화, 대량 일괄생산에도 적합하다.
컨벡스형 수정진동자 마이크로 밸런스의 가공을 예로 들어서 본 발명을 구체적으로 설명한다.
먼저, 피가공기판(11)(압전재료 기판)에 가공속도비 증폭막(12)을 통하여 마스크(13)를 형성한다(도 1A). 증폭막(12)은, 피가공기판(11)과 가공속도가 다른 무기질 금속, 세라믹 등으로 성막되고, 드라이에칭에 의한 피가공기판(11), 마스크(13)의 가공속도비를 조정하기 위해서 필요에 따라서 설치된다.
포토레지스트로부터 성막되는 마스크(13)에서는, 예를들면 압전재료 기판(11)에 포토레지스트를 도포한 후, 둘레 가장자리 부분에 조사되는 광량이 중앙부보다 적어지는 조건하에서 레지스트 막을 노광하고, 현상함으로써, 후막의 중앙부로부터 둘레 가장자리부분을 향하여 얇아지는 막두께 분포를 갖는 마스크(14)로 정형할 수 있다. 압전재료(피가공기판(11))에 비해 포토레지스트제 마스크(14)의 에칭 속도는 일반적으로 낮으므로, 통상 조건하의 드라이에칭에서 형성되는 요철이 얕아진다.
보다 입체적인 형상의 전사가 요구되는 경우, 주석, 저융점 유리, 플리트 등, 저융점의 무기질 금속이나 세라믹스를 리플로우 함으로써, 피가공기판(11)에 비해 가공속도가 낮은 마스크(14)를 형성한다(도 1B). 마스크(14)는 포토레지스트제 마스크(13)상에 적층해도 좋다.
다른 기판에 미리 형성한 정밀형(15)을 마스크(13)에 압착하고, 막두께 분포가 제어된 마스크(14)에 정형하는 방법도 채용할 수 있다(도 1C). 정밀형(15)을 사용하는 경우, 마스크(13)에 대향하는 정밀형(15)의 작용면에 박리지(16)를 깔고, 정형된 마스크(14)로부터 정밀형(15)의 분리를 용이하게 하는 것이 바람직하다.
리플로우, 정밀형(15)의 압착 어느 경우에도, 두꺼운 중앙부로부터 둘레 가장자리 부분을 향하여 서서히 얇아지는 막두께 분포를 갖는 마스크(14)로 정형된다.
막두께 분포가 제어된 마스크(14)를 설치한 피가공기판(11)을 드라이에칭 하면, 마스크(14)의 막두께 분포가 반영된 형상(도 1D)에 피가공기판(11)의 표면층이 가공되어, 목표 형상(도 1E)을 갖는 압전소자 소재(17)가 얻어진다.
피가공기판(11)에 전사되는 삼차원 형상의 요철은, 피가공기판(11)과 마스크(14)의 가공속도비 조절에 의해서도 제어된다. 예를들면, 드라이에칭에서는, 피가공기판(11)을 선택적으로 가공 또는 취약화 하는 라디칼 등의 공급원으로서 PFC(퍼플루오로 카본), SF6, 염소, 옥소계의 가스(이하, 선택반응성 가스라고 함)와 선택성이 없는 물리적 에칭 작용을 보이는 Ar, Kr, Xe 등의 가스(이하, 비선택성 가스라고 함)가 사용되지만, 선택반응성 가스와 비선택성 가스의 비율을 변화시킴으로써 가공속도비를 제어할 수 있다. 또는, 플라즈마 발생의 투입 파워에 의해서도 가공속도비가 제어된다.
예를들면, 정형된 포토레지스트제 마스크(14)를 드라이에칭 하는 도중에, 비선택성 가스가 많은 가스 조성으로부터 선택반응성 가스가 많은 가스 조성으로 바 꾼다. 비선택성 가스의 비율이 높은 드라이에칭에서는, 마스크(14)의 막두께 분포가 피가공기판(11)에 전사된다. 선택반응성 가스의 비율이 높은 드라이에칭에서는 피가공기판(11)이 우선적으로 에칭된다. 그 결과, 마스크(14)의 막두께 분포가 증폭된 삼차원 형상으로 피가공기판(11)을 가공할 수 있다.
이어서, 도면을 참조하면서, 실시예에 의해 본 발명을 구체적으로 설명한다.
[실시예 1]
PZT를 압전재료 기판(11)에 사용하고, 포지형 레지스트를 스핀 코트법으로 도포하여, 막두께 7㎛의 레지스트 막을 형성했다. 농담이 있는 그레이팅 마스크로 포토레지스트를 노광함으로써 막두께 분포가 제어된 마스크(14)로 정형했다. 정형된 마스크(14)는 단면이 주기적인 톱니 형상으로 된 막두께 분포를 갖고 있었다.
이어서, 반응성 드라이에칭에 의해 마스크(14)의 막두께 분포를 피가공기판(11)에 전사했다. SF6를 에칭 가스로 사용하여 10Pa 이하의 감압분위기에서 드라이에칭한 바, 포토레지스트, PZT의 가공속도비는 0.2 정도이고, PZT의 가공속도는 0.1∼0.2㎛/분이었다. 그 결과, 1㎛ 정도의 주기적인 패턴을 PZT에 전사할 수 있었다.
드라이에칭 된 PZT에 전극을 패터닝 하고, 전압을 인가하면, 기판상의 미소물체를 일정 방향으로 운동시킬 수 있었다.
[실시예 2]
압전재료 기판(11)에 수정을 사용하고, 포지형 레지스트를 스핀 코트법으로 도포하여, 막두께 4㎛의 레지스트 막을 형성했다. 레지스트 막을 패터닝 하여 컨벡스 형상으로 정형한 후, 열처리를 시행했다. 열처리에서는, 가열온도를 서서히 올려서 렌즈 형상으로 레지스트를 리플로우 시킴으로써, 막두께 분포가 제어된 마스크(14)로 했다.
이어서, 반응성 드라이에칭에 의해 마스크(14)의 막두께 분포를 피가공기판(11)에 전사했다. SF6, Xe의 혼합 가스를 에칭 가스로 사용하고 10Pa 이하의 감압분위기로 드라이에칭 한 바, 포토레지스트, 수정의 가공속도비는 0.3 정도이고, 수정의 가공속도는 0.4∼0.6㎛/분이었다. 그 결과, 마스크(14)의 렌즈 형상에 상당하는 삼차원형상으로 수정을 가공할 수 있었다.
마스크(14)의 렌즈 높이를 1∼2㎛ 정도로 하면, 진동특성이 대폭 향상된 압전소자가 얻어지고, 미가공시에 비해 Q값이 2배 이상이나 높아졌다. 제작된 압전소자에서는, 부진동도 1자리 가까이 저감되었다.
[실시예 3]
압전재료 기판(11)에 수정을 사용하고, 포지형 레지스트를 스핀 코트법으로 도포하고, 막두께 4㎛의 레지스트 막을 형성했다. 레지스트 막을 패터닝 하여 컨벡스 형상으로 정형한 후, 열처리를 행했다. 열처리에서는, 가열온도를 서서히 올림으로써 렌즈 형상으로 레지스트를 리플로우 시킴으로써, 막두께 분포가 제어된 마스크(14)로 만들었다.
이어서, 10Pa 이하의 감압분위기에서 반응성 드라이에칭 함으로써 마스크 (14)의 막두께 분포를 피가공기판(11)에 전사했다. 에칭 가스에는, SF6, Xe의 혼합 가스를 사용했다. 에칭 초기에 혼합 가스의 조성비를 SF6:Xe=9:1로 하고 3분간 에칭함으로써, 마스크(14)의 컨벡스와 수정판과의 경계에 높이 1㎛의 사면을 형성했다. 그 후, 가스 유량 제어장치로 수초 이내에 조성비를 1:1로 변경한 바, 가공속도비가 0.4→0.2, 수정의 가공속도가 0.4㎛/분→0.2㎛/분 이하로 대폭 저하했다. 가공속도비, 가공속도의 저하에 따라, 마스크(14)/수정판의 경계가 완만한 구배를 갖는 사면으로 정형되었다.
제작된 압전소자는, 중앙부에 부여된 곡면분포 때문에, 공진주파수의 둔화가 억제된 소자로서 사용할 수 있었다.
막두께 분포가 제어된 마스크(14)를 설치한 압전재료 기판(11)을 드라이에칭 하고 있기 때문에, 종래의 습식 에칭-기계연마에 비해 목표 삼차원 형상으로 고정밀도로 가공할 수 있고, 중앙부에 큰 질량을 분포시키는 것도 용이하다. 이렇게 가공된 압전재료로 작성되는 압전소자는, 질량부하에 대한 진동이 안정하므로, 극미량의 바이오, 화학물질을 검출하는 분자인식 센서 등을 비롯하여 광범한 분야에서 사용된다.

Claims (5)

  1. 압전재료와 가공속도가 다른 포토레지스트로 이루어지는 마스크를 압전재료의 피가공면에 설치하고,
    상기 마스크의 둘레 가장자리 부분에 조사되는 광량이 중앙부보다 적어지는 조건 하에서 상기 마스크를 노광하고 현상함으로써, 또는 상기 마스크를 패터닝하고 난 후 가열 용융에 의해 리플로우 함으로써, 소정의 막두께 분포를 상기 마스크에 부여하고,
    상기 압전재료 및 상기 막두께 분포가 부여된 마스크를 해당 막분포가 부여된 마스크가 에칭 제거될 때까지 드라이에칭 함으로써,
    상기 압전재료의 피가공면을 상기 마스크의 막두께 분포를 반영한 삼차원 형상으로 가공하는 것을 특징으로 하는 압전재료의 가공방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 소정의 막두께는 Ar, Kr 및 Xe로 이루어지는 군에서 선택되는 비선택반응성 가스를 사용한 드라이에칭 후, PFC, SF6, 염소 및 옥소계 가스로 이루어지는 군에서 선택되는 선택반응성 가스를 사용한 드라이에칭으로 바꾸는 것에 의해 얻어지며, 이때 상기 비선택반응성과 선택반응성은 마스크와 압전재료에 대한 반응성임을 특징으로 하는 압전재료의 가공방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 막두께 분포를 가지는 마스크 재료의 막이 컨벡스(convex) 형상이고, 상기 삼차원 형상이 컨벡스 형상인 것을 특징으로 하는 압전재료의 가공방법.
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