KR101055604B1 - Thin film type piezoelectric element and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
박막형 압전소자 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명에 따른 박막형 압전소자는, 교정 질량 및 압전 구동부가 구비된 상판; 상기 상판과 접합되며, 상기 압전 구동부의 구동을 위한 진공 공공이 형성된 중간 판; 및 상기 중간 판에 접합되어 상기 진공 공공을 실링하며, 기계적인 안정성을 제공하는 하판을 포함하는 것을 특징으로 한다.A thin film type piezoelectric element and a method of manufacturing the same are disclosed. The thin film type piezoelectric element according to the present invention includes a top plate provided with a calibration mass and a piezoelectric driving unit; An intermediate plate bonded to the upper plate and having a vacuum cavity for driving the piezoelectric driver; And a lower plate bonded to the intermediate plate to seal the vacuum vacancy and provide mechanical stability.
박막, 압전소자, 압전 커패시터, 진공 증발법, 실리콘 Thin film, piezoelectric element, piezoelectric capacitor, vacuum evaporation method, silicon
Description
본 발명은 박막형 압전소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미세기전 시스템(Microelectromechanical System, MEMS)의 여러 공정 기술과 웨이퍼 단위의 패키징 기술을 이용하여 제조된 압전 구동 방식의 박막형 압전소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a thin film type piezoelectric element and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a piezoelectric driving type thin film type piezoelectric element manufactured using various process technologies of a microelectromechanical system (MEMS) and wafer-based packaging technology, and It relates to a manufacturing method.
압전성은 재료에 기계적인 응력을 가하면 전하 또는 전위차가 발생하는 것으로 19세기 후반에 발견된 성질이며, 이러한 물리적인 현상을 압전 효과라고 한다. 역으로, 높은 진동수의 교류 전압을 압전 소자에 걸어 주면 압전 소자가 주기적으로 신축하면서 초음파를 발생시키는데, 이를 역압전 효과라고 한다. 이와 같은 압전 효과는 센서에 적용될 수 있으며, 역압전 효과는 구동기에 적용될 수 있다.Piezoelectricity is a property found in the late 19th century when mechanical stress is applied to a material to generate a charge or potential difference. This physical phenomenon is called a piezoelectric effect. Conversely, when a high frequency AC voltage is applied to the piezoelectric element, the piezoelectric element periodically expands and contracts to generate ultrasonic waves, which is called a reverse piezoelectric effect. Such a piezoelectric effect may be applied to the sensor, and the reverse piezoelectric effect may be applied to the driver.
최근에, 압전 재료는 박막 형태로 MEMS 센서와 구동기에 많이 사용되고 있는데, 탄성 변환기, 유체 및 입자의 이송 및 제어를 위한 펌프나 밸브, 가속도계, 마이크로 스피커와 마이크로폰, 물리센서 또는 화학센서 분야 등에서 널리 활발하게 연구되고 있다.Recently, piezoelectric materials have been widely used in MEMS sensors and actuators in the form of thin films, and are widely used in elastic transducers, pumps and valves for the transport and control of fluids and particles, accelerometers, micro speakers and microphones, physical sensors or chemical sensors. Is being studied.
상업적인 MEMS 소자는 현재 주로 정전 또는 압저항 감지방법 등에 기반을 두고 있다. 압전 센서 및 구동기는 다소 복잡한 재료와 제조 공정을 요구하지만, 압전 구동 방식을 사용한 소자는 현재 꾸준히 연구되고 있으며, 이는 압전 구동 방식이 가지는 빠른 응답속도, 낮은 구동전압 및 높은 선형성과 감지 감도, 낮은 소모의 전력 등의 여러 장점들 때문이다.Commercial MEMS devices are currently mainly based on electrostatic or piezoresistive sensing methods. While piezoelectric sensors and drivers require a rather complex material and manufacturing process, devices using piezoelectric drive methods are currently being steadily studied, which include fast response speed, low drive voltage and high linearity and sensing sensitivity, and low consumption of piezoelectric drive methods. This is due to several advantages such as power.
기존에 MEMS 기술에 압전 재료를 집적화시키는 것은 쉽지만은 않은데, 그 이유는 첫째 압전 박막의 미세 구조를 제어하기 위해서는 세심한 조건 확립과 이를 위한 공정 장비가 필요하기 때문이다. 둘째, 대부분의 압전 박막은 화학적 또는 물리적으로 반응하기 쉬우므로 후속 공정에서 압전막이 손상받지 않도록 조심해서 다루어야만 한다.Integrating piezoelectric materials into MEMS technology is not easy because first, careful control of the microstructure of the piezoelectric film requires the establishment of careful conditions and process equipment. Second, most piezoelectric thin films are easy to react chemically or physically, so they must be handled carefully to avoid damage to the piezoelectric film in subsequent processes.
기존의 MEMS 기술을 이용한 압전 소자들은 박막을 이용할 경우 일단 소자를 형성하면 후속 특성의 보정이 불가능하여 대량 공정의 최적화에 어려움을 가지고 있었다. 또한 기존의 MEMS 기술을 이용한 압전 소자들은 장기적 신뢰성을 제공할 수 있는 진공 패키징 공정의 어려움을 가지고 있다.Conventional piezoelectric devices using MEMS technology have difficulty in optimizing large-scale processes because they cannot be used to correct subsequent characteristics once they are formed using thin films. In addition, piezoelectric devices using existing MEMS technology have difficulty in vacuum packaging process that can provide long-term reliability.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 박막 압전 재료의 MEMS 센서 또는 구동기 소자로의 적용이 용이한 박막형 압전소자 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a thin film type piezoelectric element and a method of manufacturing the same, which are easily applied to a MEMS sensor or a driver element of a thin film piezoelectric material.
또한, 본 발명은 일괄 공정을 통하여 제조한 후에 센서 소자로서 중요한 감지 특성 및 구동기 소자로서 중요한 구동 전압 특성 등을 측정한 후에 맞지 않을 경우, 그 값을 변화시키면서 조절할 수 있는 능력을 갖는 박막형 압전소자 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, the present invention is a thin film type piezoelectric element having the ability to adjust while changing the value, if it does not fit after measuring the important sensing characteristics as a sensor element and the driving voltage characteristics as a driver element after manufacturing through a batch process and It aims at providing the manufacturing method.
또한, 본 발명은 우수한 특성의 압전 특성을 제공하고 공정의 재현성을 확보하기 위해서 압전 소자의 핵심 공정인 압전막과 이를 둘러싸는 전극 막을 모두 형성한 후에 공정을 실시하는 박막형 압전소자 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, the present invention provides a thin film type piezoelectric element and a method for manufacturing the same after forming both the piezoelectric film, which is a core process of the piezoelectric element, and an electrode film surrounding the same, in order to provide excellent piezoelectric properties and to ensure reproducibility of the process. It aims to provide.
또한, 본 발명은 MEMS 소자의 완성과 작동을 위한 미세 가공 후속 공정 중에 미리 증착되어 있는 압전막이 물리적으로나 화학적으로 손상받는 것을 방지할 수 있는 박막형 압전소자 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a thin film type piezoelectric element and a method of manufacturing the piezoelectric layer which can be prevented from being physically or chemically damaged during the subsequent micro-processing for the completion and operation of the MEMS device.
또한, 본 발명은 비등방성 습식 식각 공정의 적용과 웨이퍼 단위의 패키지 기술을 적용하여 최대한 작은 면적 크기를 갖는 고 신뢰성의 패키징된 압전 MEMS 기술을 적용한 초소형 마이크로 센서 또는 구동기 소자를 저렴한 비용으로 제조할 수 있도록 하는 박막형 압전소자 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, the present invention can be manufactured at a low cost by using an anisotropic wet etching process and wafer-based package technology to manufacture a compact microsensor or driver device using a highly reliable packaged piezoelectric MEMS technology with the smallest area size. An object of the present invention is to provide a thin film type piezoelectric element and a method of manufacturing the same.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 박막형 압전소자는, 교정 질량 및 압전 구동부가 구비된 상판; 상기 상판과 접합되며, 상기 압전 구동부의 구동을 위한 진공 공공이 형성된 중간 판; 및 상기 중간 판에 접합되어 상기 진공 공공을 실링하며, 기계적인 안정성을 제공하는 하판을 포함하는 것을 특징으로 한다.A thin film type piezoelectric element according to the present invention for achieving the above object, the upper plate provided with a calibration mass and the piezoelectric drive unit; An intermediate plate bonded to the upper plate and having a vacuum cavity for driving the piezoelectric driver; And a lower plate bonded to the intermediate plate to seal the vacuum vacancy and provide mechanical stability.
여기서, 상기 중간 판에 형성된 상기 진공 공공은 역삼각형의 형상으로 상면으로부터 식각되어 형성될 수 있다.Here, the vacuum cavity formed in the intermediate plate may be formed by etching from the upper surface in the shape of an inverted triangle.
바람직하게는, 상기 압전 구동부는, 압전막; 상기 압전막의 상면에 접촉된 제1 전극; 상기 압전막의 하면에 접촉된 제2 전극; 및 상기 제1 전극에 적층된 실리콘 산화층을 포함한다.Preferably, the piezoelectric drive unit, a piezoelectric film; A first electrode in contact with an upper surface of the piezoelectric film; A second electrode in contact with the bottom surface of the piezoelectric film; And a silicon oxide layer laminated on the first electrode.
또한, 상기 제2 전극 중 상기 진공 공공에 면하는 부분이 식각되는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that a portion of the second electrode facing the vacuum cavity is etched.
또한, 상기 상판과 상기 중간 판은 에폭시를 포함하는 점착층에 의해 접합되는 것이 바람직하다.In addition, the upper plate and the intermediate plate is preferably bonded by an adhesive layer containing epoxy.
또한, 상기 상판과 상기 중간 판은 상호 확산을 통해 결합되는 물질을 도포하고 열 및 압력을 가하여 접합되는 것이 바람직하다.In addition, the top plate and the intermediate plate is preferably bonded by applying a material and heat and pressure to be bonded through mutual diffusion.
또한, 상기 중간 판과 상기 하판은 공융 접합을 통하여 웨이퍼 단위로 접합되는 것이 바람직하다.In addition, the intermediate plate and the lower plate are preferably bonded by wafer unit through eutectic bonding.
또한, 상기 하판에 Au-Sn 대 Au, 또는 Ag-Sn 대 Ag를 포함하는 공융 접합을 실시하는 금속 조합을 증착하여 상기 중간 판과 접합되는 것이 바람직하다.In addition, the lower plate is preferably bonded to the intermediate plate by depositing a metal combination for performing eutectic bonding including Au-Sn to Au or Ag-Sn to Ag.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 박막형 압전소자는, 압전막, 상기 압전막의 상면에 접촉된 제1 전극, 상기 압전막의 하면에 접촉된 제2 전극, 및 상기 제1 전극에 적층된 실리콘 산화층이 구비된 압전 구동부; 상기 압전 구동부와 접합되며, 상기 압전 구동부의 구동을 위한 진공 공공이 형성된 중간 판; 및 상기 중간 판에 접합되어 상기 진공 공공을 실링하며, 기계적인 안정성을 제공하는 하판을 포함하는 박막형 압전소자으로 구현될 수도 있다.A thin film type piezoelectric element according to the present invention for achieving the above object, a piezoelectric film, a first electrode in contact with the upper surface of the piezoelectric film, a second electrode in contact with the lower surface of the piezoelectric film, and silicon laminated on the first electrode Piezoelectric drive unit provided with an oxide layer; An intermediate plate joined to the piezoelectric driver and having a vacuum cavity for driving the piezoelectric driver; And a thin plate type piezoelectric element including a lower plate bonded to the intermediate plate to seal the vacuum cavity and provide mechanical stability.
한편, 상기의 박막형 압전소자는, 압전막, 상기 압전막의 상면에 접촉된 제1 전극, 상기 압전막의 하면에 접촉된 제2 전극, 및 상기 제1 전극에 적층된 실리콘 산화층이 구비된 압전 구동부의 하면에, 역삼각형 형상의 진공 공공이 형성된 중간 판을 접합시키는 단계; 상기 중간 판의 하부로부터 상기 진공 공공의 하측부를 개방하고, 상기 압전 구동부의 제2 전극을 식각하는 단계; 및 상기 중간 판의 하면에 하판을 접합하여 상기 진공 공공의 하측부를 실링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 압전소자의 제조방법을 제공한다.On the other hand, the thin film type piezoelectric element includes a piezoelectric drive unit including a piezoelectric film, a first electrode in contact with an upper surface of the piezoelectric film, a second electrode in contact with a lower surface of the piezoelectric film, and a silicon oxide layer laminated on the first electrode. Bonding an intermediate plate on which a vacuum triangle having an inverted triangle shape is formed; Opening a lower side of the vacuum cavity from a lower portion of the intermediate plate and etching a second electrode of the piezoelectric driver; And bonding a lower plate to a lower surface of the intermediate plate to seal the lower side of the vacuum cavity.
여기서, 상기의 박막형 압전소자의 제조방법은, 상기 압전 구동부의 상면에 스크린 마스크를 이용하여 교정 질량을 증착하는 단계를 더 포함할 수 있다.Here, the method of manufacturing the thin film type piezoelectric element may further include depositing a calibration mass on a top surface of the piezoelectric driver using a screen mask.
바람직하게는, 상기 중간 판의 진공 공공은, 실리콘 기판에 유전체를 증착한 후 사진 식각법에 의해서 중앙 부분을 패턴하고, 이방성 습식 식각 용액에 패턴된 부분을 노출시켜 형성될 수 있다.Preferably, the vacuum vacancy of the intermediate plate may be formed by depositing a dielectric on a silicon substrate, patterning a central portion by photolithography, and exposing the patterned portion to an anisotropic wet etching solution.
또한, 상기 압전 구동부 및 상기 중간 판은 에폭시를 포함하는 점착층에 의 해 접합될 수 있다.In addition, the piezoelectric drive unit and the intermediate plate may be bonded by an adhesive layer containing epoxy.
또한, 상기 압전 구동부 및 상기 중간 판은 상호 확산을 통해 결합되는 물질을 도포하고 열 및 압력을 가하여 접합될 수 있다.In addition, the piezoelectric driver and the intermediate plate may be joined by applying a material to be bonded through mutual diffusion and applying heat and pressure.
또한, 상기 중간 판과 상기 하판은 공융 접합을 통하여 웨이퍼 단위 접합될 수 있다.In addition, the intermediate plate and the lower plate may be bonded on a wafer basis through eutectic bonding.
또한, 상기 하판에 Au-Sn 대 Au, 또는 Ag-Sn 대 Ag를 포함하는 공융 접합을 실시하는 금속 조합을 증착하여 상기 중간 판과 접합될 수 있다.In addition, the lower plate may be bonded to the intermediate plate by depositing a metal combination for performing eutectic bonding including Au—Sn to Au, or Ag—Sn to Ag.
본 발명에 따르면 박막형 압전소자를 상판 및 중간 판, 그리고 중간 판 및 하판의 웨이퍼 단위 접합 패키징 공정으로 제조함으로써, 센서 및 구동기의 목적에 따라 후속 공정을 마친 후에 이를 소자의 칩 크기에 맞게 자를 경우 바로 소자로 활용할 수 있으므로, 제작 공정 후 들어가는 소자 패키징 비용을 절감할 수 있다.According to the present invention, the thin film type piezoelectric element is manufactured by a wafer-bonded packaging process of the upper plate and the intermediate plate, and the intermediate plate and the lower plate. Because it can be used as a device, the device packaging cost after the manufacturing process can be reduced.
또한, 본 발명에 따르면 마지막 단계에서 소자를 측정한 후 구동 전압 및 센서 감도 등을 조절하여 공정 변수에서 발생할 수 있는 특성 값의 차이를 보정하여 사용할 수 있게 된다.In addition, according to the present invention, after measuring the device in the last step, it is possible to adjust the driving voltage and the sensor sensitivity and the like to correct the difference in the characteristic value that may occur in the process variable.
또한, 본 발명에 따르면 압전막을 모두 증착한 후에 후속 공정을 실시함으로써, 공정 중에 발생할 수 있는 변수를 배제하여 우수한 압전 특성을 갖는 압전막을 안정적으로 얻을 수 있게 된다.In addition, according to the present invention, by depositing all the piezoelectric films, a subsequent process may be performed to stably obtain a piezoelectric film having excellent piezoelectric properties by excluding variables that may occur during the process.
또한, 본 발명에 따르면 실리콘 산화층이 전면을 덮고 있기 때문에, 압전층 을 보호하게 되어 후속 공정을 실시함에 있어서 압전막의 손상으로 인한 특성 저하를 감소시킬 수 있게 된다.In addition, according to the present invention, since the silicon oxide layer covers the entire surface, the piezoelectric layer is protected to reduce the deterioration of characteristics due to damage of the piezoelectric film in the subsequent process.
또한, 본 발명에 따르면 저가 공정인 벌크 미세 가공을 적용하였음에도 불구하고 고가 공정인 표면 미세 가공을 적용한 것과 유사한 개별 소자당 면적이 크게 축소되어 소자를 소형화하는데 큰 효과를 가지게 된다.In addition, according to the present invention, although the bulk micromachining, which is a low-cost process, is applied, the area per individual device, which is similar to that of the surface micromachining, which is expensive, is greatly reduced, thereby having a large effect in miniaturizing the device.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나 이하에 기재된 본 발명의 실시 형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것이며, 본 발명의 실시 범위가 기재된 실시 형태에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described a preferred embodiment of the present invention. However, the embodiments of the present invention described below are provided to enable those skilled in the art to more easily understand the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the described embodiments.
도 1은 본 발명에 따른 박막형 압전소자를 개략적으로 도시한 도면이다. 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 박막형 압전소자는 교정 질량(60) 및 압전 구동부(10)가 구비된 상판, 상판과 접합되며, 압전 구동부(10)의 구동을 위한 진공 공공(25)이 형성된 중간 판(20), 및 중간 판(20)에 접합되어 진공 공공(25)을 실링하며, 기계적인 안정성을 제공하는 하판(40)으로 구성된다. 이때, 상판과 중간 판(20)은 에폭시를 포함하는 점착층(30)에 의해 접합될 수 있다. 또는, 상판과 중간 판(20)은 상호 확산을 통해 결합되는 물질을 도포하고 열 및 압력을 가하여 접합될 수도 있다. 또한, 중간 판(20)과 하판(40)은 금속 또는 합금 간의 공융 접합 을 통하여 웨이퍼 단위로 접합될 수 있다. 이때, 하판(40)에 Au-Sn 대 Au, 또는 Ag-Sn 대 Ag를 포함하는 공융 접합을 실시하는 금속 조합을 증착하여 상기 중간 판과 접합하는 것이 바람직하다.1 is a view schematically showing a thin film type piezoelectric element according to the present invention. Referring to the drawings, the thin film type piezoelectric element according to the present invention is bonded to the upper plate and the upper plate provided with the
여기서, 압전 구동부(10)(압전 커패시터라고도 한다)는 압전막(15), 압전막(15)의 상면에 접촉된 제1 전극(14), 압전막(15)의 하면에 접촉된 제2 전극(16), 및 제1 전극(14)에 적층된 실리콘 산화층(13)을 포함한다. Here, the piezoelectric driver 10 (also referred to as a piezoelectric capacitor) includes the
이때, 상판의 압전 구동부(10)는 미세 가공 공정을 포함한 모든 후속 공정 전에 형성되는 것이 바람직하다. 이는 우수한 특성의 압전층을 안정적으로 얻기 위한 것이다.At this time, the
상판에 형성된 압전 커패시터(10)를 뒤집어서 압전막(15) 위에 증착한 제1 전극(14) 즉, 실리콘 기판의 반대측을 중간 판(20)과 접촉시킨다. 이는 후속 공정 중 압전막(15)의 노출 및 손상을 최소화하여 압전 소자의 구동 특성을 최적화시키기 위한 것이다.The
중간 판(20)에 형성된 진공 공공(25)은 역삼각형의 형상으로 중간 판(20)의 상면으로부터 식각되어 형성된다. 진공 공공(25)는 압전 구동부(10)의 구동을 자유롭게 하며, 실리콘의 이방성 습식 식각 공정을 활용한 벌크 미세 가공 공정을 사용하여 형성된다. 또한, 진공 공공(25)은 면적을 적게 차지하여 박막형 압전소자의 소형화를 가능하게 한다.The
이때, 압전 구동부(10)의 제2 전극(16) 중 진공 공공(25)에 면하는 부분이 식각되는 것이 바람직하다. 중간 판(20)의 기판 후면으로부터 화학 기계 연마법에 의해 형성된 틈을 통하여 직진성이 우수한 반응성 이온 식각법(reactive ion etching)을 통하여 제2 전극(16)을 식각하여 압전 구동부(10)를 d33 모드로 작동하도록 한다.In this case, it is preferable that a portion of the
또한, 중간 판(20)에 형성된 진공 공공(25)의 진공 형성을 위하여 화학기계 연마법으로 후면에서 전체 기판의 균일한 식각을 통하여 구멍을 형성하고, 기판을 기울여서 진공증발(vacuum evaporation) 증착함으로써 구멍이 쉽게 막히도록 하는 것이 바람직하다.In addition, by forming a hole through the uniform etching of the entire substrate from the rear surface by chemical mechanical polishing for the vacuum formation of the
또한, 진공 증발에 의해 중간 판(20) 후면에 형성된 금속층과 하판(40) 상부에 형성된 금속층(50)은 이 두 금속 층간의 공융 접합이 형성될 수 있는 조합으로 이루어지며, 이 두 층간의 공융 접합을 통하여 중간 판(20)과 하판(40)이 웨이퍼 단위 접합된다.In addition, the metal layer formed on the back of the
상판의 교정 질량(60)은 박막형 압전소자가 완성된 후에 센서로 적용될 때에는 센서 감지 특성, 구동기로 적용될 때는 구동 전압 특성 등을 측정하여 후속 조절하기 위한 것이다. 감지 민감도(sensitivity)의 향상 및 구동 전압(driving voltage) 특성의 감소를 위해서는 압전 구동부(10)를 위에서 보호하고 있는 실리콘 산화물(13)이 식각을 통해서 구동부의 질량을 감소시키며, 감지 민감도의 둔화 및 구동 전압 특성의 증가 또는 기계적인 안정성 향상을 위해서는 상부의 실리콘 산화물(13)에 다른 유전층을 증착하면서 조절할 수 있다.The
도 2는 도 1의 박막형 압전소자의 제조공정을 순차적으로 도시한 도면이다. 먼저 도 2a를 참조하면, 상판은 실리콘 기판(11)에 산화법을 통하여 실리콘 산화물(12, 13)을 성장시킨 후, 폴리싱되어 있는 실리콘 면에 제1 전극(14), 압전막(15), 및 제2 전극(16)을 순차적으로 증착하여 압전 커패시터(10)를 형성한다. 이 압전 커패시터(10)는 향후 소자의 센서 또는 구동 동작을 위한 압전 구동부로 사용된다.FIG. 2 is a diagram sequentially illustrating a manufacturing process of the thin film type piezoelectric element of FIG. 1. First, referring to FIG. 2A, the top plate is formed by growing
도 2b를 참조하면, 중간 판은 실리콘 기판(20)에 유전체 증착을 통하여 증착한 후 사진 식각법에 의해서 소자의 중앙 부분을 패턴한 후 이방성 습식 식각 용액(KOH, EDP 등)에 이를 노출시키면, 면 및 면의 식각 속도에 따라 54.7도의 일정한 각을 가진 홈이 형성된다. 이 홈은 향후 상판의 압전 구동부(10)가 움직이기 위한 공간인 진공 공공이 된다.Referring to FIG. 2B, when the intermediate plate is deposited on the
도 2c를 참조하면, 도 2a에서 공정한 상판과 도 2b에서 공정한 중간 판(20)을 접합시키는 공정 후의 소자의 단면을 개략적으로 도시한 것으로서, 두 판의 접합은 에폭시 등의 점착층(30)을 사용하거나 향후 고온 공정을 위해서 압전 커패시터(10)의 제2 전극(16)과 중간 판(20) 윗면 등 접합이 이루어지는 두 면에 상호 확산을 통하여 강한 결합력을 얻을 수 있는 물질을 도포하고 열 및 압력을 가하여 접합시킬 수도 있다. Referring to FIG. 2C, a cross-sectional view of an element after the process of joining the upper plate processed in FIG. 2A and the
도 2d는 도 2a에서 제작한 압전 커패시터(10)를 사진 식각법 등에 의해서 압전 구동부 소자의 형태로 제작한 개략도이다. 위에서부터 실리콘 산화물(12), 실리콘(11) 등을 건식 또는 습식 공정으로 모두 제거한 다음에 실리콘 산화물(13), 제1 전극(14), 압전막(15), 및 제2 전극(16) 등을 사진 식각법에 의해 감광제를 이용한 마스크 또는 금속을 마스크로 하는 하드 마스크 등을 이용하여 패턴 식각 공정을 실시한다.FIG. 2D is a schematic diagram of the
도 2e는 후면으로부터 화학기계연마(chemical mechanical polishing, CMP) 공정을 실시하여 후면을 열어주는 공정을 나타낸다.Figure 2e shows a process of opening the rear surface by performing a chemical mechanical polishing (CMP) process from the rear surface.
도 2f는 도 2e에서 실시하여 열린 후면을 통하여 제2 전극(16)을 식각하는 공정을 나타낸다. 이를 통하여 제2 전극(16)이 분리될 수 있는데, 이 두 전극 사이에 전압을 가하여 소자를 구동하거나 압전 구동부(10)의 변위에 따른 전압을 같은 평면의 두 전극 사이에서 측정하는 방식은 압전막(15)의 d33 모드를 활용한 것인데, 일반적으로 d33 모드는 상하부 전극(14, 16) 사이의 신호를 측정하거나 전압을 가하는 d31 모드에 비해서 압전 상수가 2~3 배 높기 때문에 우수한 특성을 제공할 수 있게 된다.FIG. 2F illustrates a process of etching the
도 2g는 금속을 진공 증발시키면서 도 2e에서 열어준 구멍을 진공 상태에서 막는 공정을 나타낸다. 진공에서 금속이 증발되는 방향에 대해 기판을 기울이면 제2 전극(16)에 금속이 묻지 않게 하여 공정 재현성을 높이고 쉽게 구멍이 막히는 효과를 기대할 수 있다.FIG. 2G illustrates a process of closing the hole opened in FIG. 2E in a vacuum while the metal is vacuum evaporated. If the substrate is inclined with respect to the direction in which the metal is evaporated in a vacuum, the
도 2h는 도 2g에서 준비한 기판(상판과 중간 판이 접합된 기판)과 하판(40)을 공융 접합을 통하여 웨이퍼 단위 접합시키는 공정을 나타낸다. 하판(40)은 실리콘 기판 위에 금속을 증착하여 준비한다. 이 하판의 금속과 중간 판에서 구멍을 막는데 사용하기 위해 증발 증착한 금속은 중간 판(20)과 하판(40)의 접착 시에 공융 접합을 실시하는 금속 조합으로 이루어져 있어야 한다. 이러한 금속 조합으로는 Au-Sn 대 Au 또는 Ag-Sn 대 Ag 등이 있다.FIG. 2H illustrates a step of wafer-bonding the substrate (the substrate on which the upper plate and the intermediate plate are bonded) and the
도 2i는 안정적인 구동 특성 및 센서로 사용시 높은 감도를 위한 교정 질량의 증착 공정으로 스크린 마스크를 이용한 진공 증발법에 의해 실시하는 것이 소자의 안정적인 공정 실시 측면에서 가장 적합하다.Figure 2i is the most suitable in terms of the stable process of the device is carried out by the vacuum evaporation method using a screen mask as the deposition process of the calibration mass for stable driving characteristics and high sensitivity when used as a sensor.
도 2의 공정을 통하여 완성된 박막형 압전소자에 대새서 사용 목적에 적합한 패키징 공정을 적용한 후 벤조싸이클론부틴(benzocyclobutene, BCB) 등을 이용하여 캡을 씌우는 공정을 실시한 다음에 이를 웨이퍼 상태에서 절단하면 잘단된 하나의 조각(die)이 패키징된 소자로서 바로 사용될 수 있다. After applying the packaging process suitable for the purpose of use to the thin film type piezoelectric element completed through the process of Figure 2 after performing a capping process using benzocyclobutene (BCB), etc. and then cut it in the wafer state One well cut can be used as a packaged device.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해서 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.Although the preferred embodiments of the present invention have been illustrated and described above, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and the present invention is not limited to the specific embodiments of the present invention without departing from the spirit of the present invention as claimed in the claims. Anyone skilled in the art can make various modifications, as well as such modifications are within the scope of the claims.
도 1은 본 발명에 따른 박막형 압전소자를 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a view schematically showing a thin film type piezoelectric element according to the present invention.
도 2는 도 1의 박막형 압전소자의 제조공정을 순차적으로 도시한 도면이다.FIG. 2 is a diagram sequentially illustrating a manufacturing process of the thin film type piezoelectric element of FIG. 1.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >Description of the Related Art
10: 압전 구동부 13: 실리콘 산화물10: piezoelectric drive unit 13: silicon oxide
14: 제1 전극 15: 압전막14: first electrode 15: piezoelectric film
16: 제2 전극 20: 중간 판16: second electrode 20: intermediate plate
25: 진공 공공 30: 점착 층25: vacuum vacancy 30: adhesive layer
40: 하판 60: 교정 질량40: lower plate 60: calibration mass
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