KR19990070321A - 마이크로 엑츄에이터 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 산화물 압전체를 하부판에 부착한 다음 반도체 산업에서 쓰이는 리소그래피와 습식에칭공정을 이용하여 압전체의 필요없는 부분을 제거하고 남은 압전체의 상부에 상부전극을 형성하여 엑츄에이터를 제작함으로써, 다양한 형태의 엑츄에이터를 자유롭게 제작할수 있고 또한 경제적으로 제작할수 있는 마이크로 엑츄에이터 제조방법에 관한 것으로서, 특히 전체 금속성분 함유량의 40% 이상 60% 이하가 Pb또는 Ba로 구성된 페로브스카이트 결정구조를 가지는 판형의 산화물 압전체와 이 산화물 압전체판의 상부면과 하부면에 형성된 상부전극과 하부전극, 그리고 상기 전극이 형성된 산화물 압전체판의 하부에 일체로 접합되어 산화물 압전체판의 길이방향 신축운동을 휨운동으로 바꾸어주는 하부판으로 형성된 1개 이상의 압전체 엑츄에이터를 제작함에 있어서, 상기 하부판에 접합되어 있는 압전체판에서 원하는 부분을 제외한 나머지 부분을 HF가 첨가된 에칭용액을 이용하여 제거하는 특징이 있다.

Description

마이크로 엑츄에이터 제조방법
본 발명은 마이크로 엑츄에이터 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 산업에서 쓰이는 리소그래피(lithography)공정과 습식에칭(wet etching)을 이용한 얇은 박판의 산화물 압전체 가공법으로 기판과 일체가 되어 변형을 일으키는 한 개 이상의 미세한 압전체 엑츄에이터를 형성하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 압전소자(Piezo-Electric : PZT)를 이용하여 액체를 액적의 상태로 분사하는 장치는 잉크젯헤드 등에 사용된다. 이러한 압전체를 이용한 잉크젯헤드는 액체를 저장하는 액실의 상부에 엑츄에이터가 구비된다. 엑츄에이터는 빠른 속도로 진동을 하는 과정에서 액실의 내압을 증가시키며 이때 액체를 액적의 상태로 분사하는 기능을 갖는다. 이러한 엑츄에이터는 하부판과 하부판의 상부에 결합되어 폴링(polling:전기장을 가하면 압전체에 방향성이 형성됨)된 상태에 따라 변형을 일으키는 압전체가 구비된다.
종래에는 하부판의 상부에 압전체를 형성하는 방법이 다수 제안된바 있다.
첫 번째 방법은, 압전체 패스트(paste)를 스크린 프린트 방법으로 얇은 ZrO2박판위에 형성하고 이를 고온(∼1000℃)에서 소성하여 제조하는 것으로 이때 ZrO2판이 하부판의 역할을 하게된다. 좀더 상세히 설명하면, ZrO2를 얇은 그린시트(green sheet)형태로 만든후 필요한 부분에 구멍을 뚫고 이후 알맞은 크기로 잘라서 고온(1000℃ 이상)에서 소성한다. 얇고( 20㎛ 이상) 정확한 크기로 형성된 ZrO2판에 하부전극을 형성한다. 하부전극이 형성된 ZrO2판에 압전체 패스트를 정확히 정열하여 스크린 프린팅 한다. ZrO2판 위에 스크린 프린팅된 압전체를 고온에서 소성하고 압전체위에 상부전극을 형성한다.
이같은 방법으로 제조된 엑츄에이터는 압전체의 상단과 하단에 형성된 전극에 강한 전압을 인가하여 압전체를 폴링시킨다. 그리고 압전체의 상단과 하단에 형성된 전극에 전압을 인가하여 압전체와 하부판(ZrO2)으로 이루어진 부분이 기계적 변형을 일으키도록 한다.
그러나 매우 얇고 정확한 크기의 ZrO2판을 고온 소성 공정으로 제조하기는 매우 어려우며 압전체 패스트를 스크린 프린팅하여 미세한 패턴(200㎛ 이상)을 정확히 구성하기는 매우 어려운 단점이 있다. 또한 압전체 패스트를 소성하여 압전성이 우수한 압전체를 형성하기는 매우 어려운 등의 단점이 있다.
두 번째 방법은 스테인레스 스틸 박판위에 PZT 박판의 압전체를 접착하고 이를 기계가공하여 다수의 엑츄에이터로 만드는 방법이 있으며, 세 번째 방법은 스테인레스 스틸 박판위에 1개의 엑츄에이터에 적합한 크기로 잘라진 압전체를 붙여서 엑츄에이터로 만드는 방법이 제안된바 있다.
그러나 이들 방법은 기계가공의 경우 정밀도가 나쁘고, 신뢰성이 낮아서 경제적이지 못하다. 그리고 단수의 엑츄에이터 수율이 낮으므로 완전히 동작하는 복수의 엑츄에이터를 형성하기 어려운 등의 단점이 있다.
본 발명은 종래의 문제점을 감안하여 개발한 것으로서, 본 발명의 목적은 산화물 압전체를 하부판에 부착한 다음 반도체 산업에서 쓰이는 리소그래피와 습식에칭공정을 이용하여 압전체의 필요없는 부분을 제거하고 남은 압전체의 상부에 상부전극을 형성하여 엑츄에이터를 제작함으로써, 다양한 형태의 엑츄에이터를 자유롭게 제작할수 있고 또한 경제적으로 제작할수 있는 마이크로 엑츄에이터 제조방법을 제공함에 있다.
도 1은 압전체를 기판에 부착한 상태를 나타낸 단면도,
도 2a,b,c는 압전체의 상부에 PR을 형성하는 과정을 나타낸 단면도,
도 3a,b는 압전체를 에칭하는 과정을 나타낸 단면도,
도 4a,b,c는 압전체에 상부전극을 미리 형성하여 에칭하는 과정을 나타낸 단 면도,
도 5a,b,c,d는 압전체의 상부에 상부전극을 형성하는 과정을 나타낸 단면도,
도 6은 본 발명의 엑츄에이터를 이용한 프린트헤드의 단면도,
도 7은 온도에 따른 에칭속도를 나타낸 선도,
도 8은 온도에 따른 에칭깊이를 나타낸 선도.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 하부판 20 : 접착제
30 : 압전체 30a : 꼬리
40 : 포토레지스터 50 : 상부전극
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 전체 금속성분 함유량의 40% 이상 60% 이하가 Pb또는 Ba로 구성된 페로브스카이트 결정구조를 가지는 판형의 산화물 압전체와 이 산화물 압전체판의 상부면과 하부면에 형성된 상부전극과 하부전극, 그리고 상기 전극이 형성된 산화물 압전체판의 하부에 일체로 접합되어 산화물 압전체판의 길이방향 신축운동을 휨운동으로 바꾸어주는 하부판으로 형성된 1개 이상의 압전체 엑츄에이터를 제작함에 있어서, 상기 하부판에 접합되어 있는 압전체판에서 원하는 부분을 제외한 나머지 부분을 HF가 첨가된 에칭용액(etchant)을 이용하여 제거하는 특징이 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 다음의 단계들에 의해 제조된다.
제 1 단계 : 산화물 압전체를 얇은 판 형태(두께가 약 300㎛이하)로 소성하거나 또는 커다란 벌크 산화물 압전체를 얇게 자른후에 양면을 래핑하여 얇은 판 형태로 제작한다.
제 2 단계 : 압전체를 전도성 접착제를 이용하여 하부판에 붙인다. 이때 하부판은 각 엑츄에이터의 공통 하부전극의 역할을 한다.
제 3 단계 : 압전체의 상부에 포토레지스터를 스핀코팅(spin coating)하고, 소프트 베이킹하고, 원하는 패턴의 마스크로 노광한다. 노광된 압전체를 현상한후 하드 베이킹하여 압전체의 에칭할 부분을 제외한 나머지 부분에 포토레지스터 패턴을 형성한다.
제 4 단계 : 압전체를 습식에칭(wet etching)한다.
제 5 단계 : 포토레지스터 패턴을 제거하고 압전체의 상부에 상부전극을 형성하여 엑츄에이터판을 완성한다.
제 6 단계 : 하부판을 엑츄에이터가 필요한 소자, 예컨데 잉크젯헤드를 구성하는 액체가 내장된 액실의 상부에 접착한다. 그리고 소자에 접착된 엑츄에이터판에 전압을 인가하여 엑츄에이터판을 구동시킨다.
본 발명을 각 단계별로 상세히 설명하면 다음과 같다.
제 1 단계
산화물 압전체(30)판을 10㎛이상 300㎛이하의 얇은 판 형태로 제작한다. 제작하는 방법에는 소성가공하는 방법이 있으며 또한 커다란 압전체(30)를 얇게 자른후에 양면을 래핑하여 얇은 판 형태로 제작하는 방법이 있다. 산화물압전체로 대표적인 물질은 PZT(Pb(Zr1/2Ti1/2)O3),PLZT(Pb1-xLax(Zr1/2Ti1/2)O3),BaTiO3, PbTiO3등이 있으며 이들은 페로브스카이트(perovskite) 결정구조를 가진다.
PZT는 구성성분의 95% 이상이며 단, 4/6 ＜ Zr/Ti ＜ 6/4 이다. PLZT는 구성성분의 95% 이상이며 단, La의 함유량은 5% 미만이고, 4/6 ＜ Zr/Ti ＜ 6/4 이다. PbTiO3는 구성성분의 95% 이상이며 단, 4/6 ＜ Zr/Ti ＜ 6/4 이다. BaTiO3는 구성성분의 95% 이상이며 단, 4/6 ＜ Zr/Ti ＜ 6/4 이다.
그리고 소량 첨가되는 원소로는 Sr, Mn, Nb 등이 있으며 전체의 5% 미만이다.
제 2 단계
도 1에 도시된 바와 같이 압전체(30)를 (전도성) 접착제(20)를 이용하여 하부판(10)에 붙인다. 이때 엑츄에이팅 특성을 좋게 하기 위해 하부판(10)과 압전체의 접합을 단단히할 필요가 있다. 이때 전도성 접착제(20)를 도전성 하부판(10)에 전면 도포하여 각 엑츄에이터의 공통 하부전극으로 한다. 전면 도포된 접착제(20)는 압전체를 산(acid)으로 에칭할 때 하부판(10)의 보호막 역할을 할수 있다. 패스트(paste)상태의 접착제(20)는 스크린 프린팅 등의 방법을 이용해서 하부판(10) 또는 압전체(30) 박막에 필요한 부분에만 부분적으로 도포할수 있다.
또한 메탈라이징[metalizing : 금속이 도포된 압전체의 한면과 다른 금속판 사이에 제3의 물질을 매개체로 하여 브래징(brazing) 접합하는 것] 공정을 통해 압전체를 하부판에 단단히 고정시킬수 있으며, 엑츄에이터의 컴플라이언스(compliance)를 낮추어서 엑츄에이팅 특성을 향상시킬 수 있다.
하부판은 금속박판 또한 세라믹박판 등으로 구성된다. 금속박판의 경우 두께가 3㎛이상 200㎛이하로 구성되며 구성성분의 10% 이상이 Cr 70% 이상인 Fe : 스테인레스 스틸 박판으로 구성된다. 또한 금속박판은 Ni, Cr, Ti함유량의 합이 구성성분의 90% 이상인 박판으로 구성된다. 이러한 금속박판은 부분적으로 습식에칭하여 필요한 부분의 하부판(10) 형태를 만들 수 있다. 또한 금속박판을 프레스 가공하여 필요한 부분의 하부판(10) 형태를 만들 수 있다. 또한 금속박판을 전주가공(electro-forming)으로 형성하여 필요한 형태로 하부판 형태를 만드는 방법이 있다.
세라믹박판으로 하부판이 구성되는 경우 그 두께가 5㎛이상 300㎛이하로 구성된다. 세라믹박판은 ZrO2, Al2O3, SiO2함유량의 합이 구성성분의 80% 이상이며, 산화물 분말이 함유된 슬러리(slurry)를 그린시트(green sheet) 형태로 만든후 이를 소결하여 만드는 방법이 사용된다. 또한 슬러리 상태에서 필요한 하부판 형태를 만든후에 소결하여 만드는 방법도 있다.
그리고 소자에 엑츄에이터의 조립을 쉽게하기 위해 하부판의 모양을 비대칭적으로 만들거나 가이드홀을 형성하는 방법이 있다. 이러한 방법에는 가이드홀을 하부판에 1개이상 형성하는 방법, 하부판의 외형에 1개 이상의 노치를 형성하는 방법, 다각형 모양의 하부판에서 1개 이상의 모서리를 잘라서 다른 모서리와 구별되도록 하는 방법 등이 있다.
제 3 단계
도 2에 도시된 바와 같이 압전체(30) 상부에 포토레지스터(Photoresistor)(40)를 스핀코팅 하고, 소프트 베이킹(soft baking) 하고, 원하는 패턴의 마스크(40a)와 정열하여 노광한다. 포토레지스터(40)는 비중 0.095 이하의 음성포토레지스터가 이용된다. 그리고 압전체와 포토레지스터(40)와의 접착력을 향상시키기 위해 포토레지스터 도포전에 압전체판 상부에 HMDS(Hexamethyldisilane) 용액으로 표면처리한다. 포토레지스터의 종류와 원하는 두께에 따라 조건은 달라질수 있으나 일반적인 공정조건은 다음과 같다.
스핀코팅 : ∼4000rpm, 소프트 베이킹 : 75℃ ∼ 100℃,
노광 : 일정한 노출에너지(광도 × 시간)가 필요함.
노광된 압전체를 현상하여 에칭할 부분을 제외한 나머지 부분의 포토레지스터 패턴을 제거하고 다시 하드 베이킹(100℃ ∼ 150℃에서 30분 이하) 한다. 현상액은 양성,음성포토레지스터에 따라 종류가 다르다. 양성포토레지스터의 경우 현상액은 NaOH, KOH, organic bases 이고, 세척액은 H2O 이다. 음성포토레지스터의 경우 현상액은 xylene Stoddard's solvent 이고, 세척액은 n-butyl acetate 이다. 음성포토레지스터의 경우 산에 강하므로 본 발명의 산화물 압전체 에칭에는 음성포토레지스터가 더 적합하다.
제 4 단계
압전체(PZT,PLZT) 에칭용액에는 HCl(염산) 또는 HF(불산)가 포함된다.
HCl는 에칭속도가 느리고 표면이 러프(rough)하다.(결정립면의 에칭속도가 결정립의 에칭속도에 비해 빠르다.) HCl가 PbO 성분 그리고 Ti성분을 잘 에칭시키나 나머지 성분의 에칭이 어렵다.
HF는 빠르고 균일하게 잘 에칭이 된다. 에칭속도가 빨라서 속도조절이 어렵다. 에칭후에 하얀색의 필름이 남는다. 이는 녹지않은 Pb이다. BOE를 이용하면 에칭속도 조절도 쉽고, 시간에 따른 에칭속도도 균일하게 할수 있다.
가장좋은 에칭성질은 BOE와 HCl를 섞어서 얻을 수 있다.
BOE : HCl : water = 1 : 2 : 4
BOE ← 40% NH4F : 49% HF = 6 : 1(4:1 or 8:1)
Buffered Oxide Etchant (Buffered HF)
도 7은 온도에 따른 에칭량을 그리고 도 8은 온도에 따른 에칭 깊이를 나타낸 것으로 이를 표로 나타내면 다음과 같다.
아래 표는 온도에 따른 에칭속도를 나타낸다.
25℃ 48℃ 55℃ 70℃
10min 0.51 1.90 2.00 4.62
20min 0.41 1.85 2.38 4.30
30min 0.42 1.87 2.35
40min 0.41 1.80 2.12
AVG 0.44 1.86 2.21 4.46
아래 표는 온도에 따른 에칭량을 나타낸다.
25℃ 48℃ 55℃ 70℃
0min 0 0 0 0
10min 5.1 19.0 20.0 46.2
20min 8.2 36.9 47.5 86.0
30min 12.5 56.0 70.6
40min 16.2 72.0 84.9
본 발명은 에칭용액에 포함된 HF와 HCl 성분비를 변화시켜 에칭속도를 0.1 ∼ 30㎛/min가 되도록 조절하는 방법이 사용된다. 이러한 방법에는 Pb와 Pb산화물 성분의 에칭 속도를 높이기 위해 HCl 함량을 늘리는 방법, 전체적인 에칭 속도를 증가시키기 위해 HF의 함량을 늘리는 방법, BOE를 이용하여 에칭 반응 진행에 따른 에칭속도 변화를 최소화하는 방법 등이 있다. (BOE : Buffered Oxide Etchant = Buffered HF)는 성분비로 봐서 40%의 NH4F와 49% HF함유량비가 4 : 1에서 8 : 1가 되는 용액이다.
본 발명은 에칭온도를 변화시켜 에칭속도를 0.1 ∼ 30㎛/min으로 조절하는 방법이 사용된다. 이러한 방법에는 반응 온도변화에 따른 에칭속도를 측정하여 주어진 조성의 에칭용액에서 에칭속도와 온도관계를 얻어서 에칭속도를 온도로 조절하는 방법, 아헨이어스(Arrhenius)의 관계식을 이용하여 겉보기 반응활성화 에너지(apparent activation energy)를 구하여 에칭온도에 따른 에칭속도를 파악하는 방법, 반응온도를 일정하게 유지하여 일정한 반응속도를 얻는 방법 등이 있다. 그리고 에칭중에 용액을 계속 교반시켜 전체 용액을 섞어주는 방법이 사용된다.
압전체 에칭중에 Pb를 어느정도 제거시켜주고 그래도 남는 Pb는 질산과 같은 다른 에칭용액으로 에칭하여 제거하는 것이 좋다. 압전체를 HF만 이용하여 Pb가 남도록 에칭하면 Pb의 제거가 어렵다. 보통은 에칭속도가 Zr ＞ Ti ＞ Pb이다. 에칭되는 표면이 Pb 리치(rich)가 되어감으로 에칭속도가 변할수 있다.
BOE/HCl로 에칭후에 남는 Pb리치필름을 제거하는 방법은 다음과 같다. BOE/HCl etchant(HCl/BOE ＞ 1/1)로 오래 에칭하는 방법, DI water로 스프레이한후 희석 HCl에 깊게 담그는 방법, DI water로 스프레이한후 희석 HNO3(약 50%)에 깊게 담그는 방법 등이 있으며 위의 모든 공정에서 휘저어 주는 것이 중요하다.
도 3a에 도시된 바와 같이 본 발명은 습식에칭의 등방성에칭(isotrophic etching)을 이용하여 압전체의 하부 끝단(edge)에 오목한 형태의 꼬리(tail)(30a)부분을 남긴다. 전극이 형성된 중앙부분은 주로 전달받은 전기에너지를 기계에너지로 변환하는데 이용되며, 꼬리(30a) 부분은 압전체가 하부판과 단단히 접착할수 있도록 접착면적을 넓히는 역할을 한다. 이 경우 하부판이 켄티레바가 아닌 다이아프램 형태로 고정된 경우 엑츄에이팅에 매우 효과적이다.
도 3b에 도시된 바와 같이 압전체판의 내부보다 표면 또는 결정립 내부보다 결정립계에서의 에칭속도를 상대적으로 더 빠르게 해서 전체적으로 판형이 아닌 볼록한 형태(압전체의 상부 양단을 볼록하게함)의 압전체를 하부판위에 형성하는 방법은 다음과 같다.
마스크 작용을 하는 포토레지스터 표면과 압전체 사이에 마이크로 크랙을 만들거나(예 : 산화물 압전체와 포토레지스터의 접착력을 높여주는 HMDS 처리공정을 생략한다.) 압전체 표면의 성분을 달리하여 에칭속도가 압전체 내부의 에칭속도 보다 빠르게 조절하여(예 : Pb리치 표면을 형성하고 HCl농도가 높은 에칭용액을 이용) 전체적으로 봐서 볼록한 형태의 압전체 엑츄에이터를 형성할수 있다. 이 경우에도 하부판이 켄티레바가 아닌 막의 형태로 고정된 경우 엑츄에이팅에 매우 효과적인 압전체판의 형태이다.
포토레지스터 도포전에 HMDS 처리를 하지않거나 포토레지스터 하드베이킹을 적정시간 보다 오래해서 포토레지스터와 압전체판 사이에 마이크로 크랙을 형성하고 에칭액이 이 마이크로 크랙을 타고 들어와 에칭될수 있게하는 방법이 있다.
압전체판의 표면과 내부의 Pb 농도를 다르게 하고, 이를 이용하여 압전체 표면의 에칭속도를 빠르게 하여 전체적으로 끝단부분의 두께가 얄게 될 수 있도록 하는 방법이 있다.
압전체의 결정입자(grain)와 결정입계(grain boundary) 표면과 내부의 Pb농도를 다르게 하고, 이를 이용하여 전체적으로 끝단 부분의 두께가 얄게 될 수 있도록 하는 방법이 있다.
또한 하부판이 산화물 압전체 에칭액과 반응하여 에칭되는 경우 다음의 방법으로 하부판을 보호해 주어야 된다.
하부판을 귀금속(Au, Pt, Ag등)으로 하는 것, 하부판을 산에 강한 폴리마이드(Polyimide)로 하는 것, 하부판 양면에 도금 또는 스퍼터링(sputtering)이나 에버포레이션(evaporation)과 같은 진공증착법으로 귀금속을 코팅하여 보호하는 방법, 압전체 에칭을 위한 포토레지스터 패터닝 공정시에 하부판 상부를 보호하는 포토레지스터를 함께 도포하는 방법, 포토레지스터를 스핀코팅 등의 방법으로 하부판 밑면에 도포하여 보호하는 방법, 폴리머 계통의 접착제(20)를 하부판 상부에 전면 도포하여 하부판 상부를 보호하는 방법 등이 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 압전체 박판을 에칭하여 패턴을 형성할 때 마스크로서 귀금속(Au, Pt, Pd, Ag)을 이용하면 마스크 형성 공정이 바로 상부전극(50) 형성 공정이 된다. 이러한 방법은 다음과 같다.
압전체 박판을 하부판에 접착제를 이용하여 붙인다. 압전체 박판이 접착된 부분에 포토레지스터를 코팅하고 소프트 베이킹을 한다. 귀금속을 증착하고 싶은 부분의 포토레지스터를 제거(노광하고, 하드베이킨한 후 연상하여 제거함)한다. 포토레지스터가 패터닝되어 있는 시편에 스퍼터링 또는 에버포레이션과 같은 진공증착법을 이용하여 귀금속을 증착한다. 포토레지스터를 리프트 오프(lift off) 방법으로 제거하여 원하는 부분의 귀금속 증착박막만을 남긴다. 이후 귀금속이 증착되지 않은 부분을 에칭하여 엑츄에이터를 제작한다.
위의 방법에서 상부전극(50)이 이미 형성된 압전체 박판을 에칭하여 패턴을 형성할 때 상부전극(50)으로 Al, Ti, Ni, Cr, Cu 등과 같이 압전체 에칭용액에 에칭이 되는 도체를 이용하면 압전체 에칭 단일 공정으로 상부전극과 압전체 박판을 동시에 패터닝할수 있다.
제 5 단계
도 3b에 도시된 바와 같이 압전체를 에칭하여 패턴을 형성한 다음 이의 상부에 형성된 포토레지스터 패턴을 제거한다. 그리고 도 5에 도시된 바와 같이 압전체의 상부에 전극을 형성하여 엑츄에이터를 제조하는 방법은 다음과 같다.
포토리소그래피(photolithography) 공정을 이용하여 전극을 형성할수 있다. 상부에 포토레지스터 공정을 통하여 전극을 형성할 부분을 패터닝한다. 노출된 압전체 상부에 스퍼터링 에버포레이션 등의 방법으로 Pt, Au, Pd, Ag, Al, Ni 등의 도전체를 증착하여 전극을 형성하는 방법이 있다.
상부전극(50)의 크기가 충분히 크고(폭 ＞ 10㎛), 이웃한 전극간의 간격이 넓은 경우(pitch ＞ 15㎛), 스퍼터링, 에버포레이션 등의 방법으로 Pt, Au, Pd, Al, Ni등의 도체를 새도우 마스크(50a)를 이용하여 압전체 상부의 필요한 부분에만 직접 증착하는 방법이 있다.
상부전극으로 Al, Ti, Ni, Cr, Cu,등과 같은 압전체 에칭용액에 에칭되는 도체를 이용하여 상부전극의 패터닝을 별도로 하지않고 압전체판을 에칭할 때 상부전극을 함께 패터닝하는 방법이 있다. 이러한 방법은 상부전극이 형성된 압전체판을 하부판에 접착제를 이용하여 붙인다. 그리고 포토레지스터를 스핀코팅하고, 소프트베이킹, 노광, 하드베이킹, 현상한다. 산화물 압전체판의 에칭액을 이용하여 상부전극과 압전체를 차례로 에칭한다.
또한 포토레지스터 패턴 공정없이 압전체판의 2단 에칭을 이용하여 상부전극을 패터닝하는 방법이 있다. 이러한 방법은 HCl의 농도가 낮고 HF의 농도가 높은 에칭액을 이용하여 압전체 에칭에서 상대적으로 Pb의 잔류량이 많도록 한다. 이 경우 잔류 Pb와 Pb화합물은 흰색으로 보여서 육안으로도 확인이 가능하다. 압전체 에칭에 이용된 포토레지스터를 제거하고 압전체 윗면에 스퍼터링, 에버포레이션 등의 방법으로 Pt, Au, Pd, Ag 등의 귀금속을 도포한다. Pb와 Pb화합물을 잘 에칭시키나 귀금속 에칭은 어려운 질산을 이용하여 잔류 Pb와 Pb화합물을 에칭해 내면 일종의 리프트 오프(lift off) 방법이 되어 각 엑츄에이터의 상부 전극이 회로적으로 독립된다.
또한 위의 방법들에 의해 형성된 상부전극에서 도선(lead out)을 끌어낼 때 도선이 하부판위를 지나가게 되면 하부판 상부표면이 부도체로 형성될 필요가 있다. 하부판 상부의 부도체 형성공정을 생략하는 방법으로 금속 도선(wire)(60a)을 각 엑츄에이터 상부전극에 직접 솔더링(soldering)한다. 또한 FPCB(flexible printed circuit board)(60)를 이용하면 다수의 엑츄에이터에 쉽게 와이어링을 할수 있다. FPCB(60)를 이용하고, FPCB 끝단의 솔더(solder)물질로 저온의 PbSn을 이용하는 경우 상부전극의 표면이 PbSn와 잘 접합되기 위해 PbSn, Sn, Pt, Au 등의 물질로 되어 있는 것이 좋다.
초음파를 이용하여 금속도선(60a)을 상부전극에 직접 연결시키는 경우에는 상부전극은 귀금속(Au, Pd, Pt, Ag등) 또는 Sn, SnPb의 화합물이 좋으며, Al와이어를 이용하는 경우에는 상부전극이 Al이여도 된다.(초음파를 이용하는 경우에는 Al표면에 자연산화로 얇게 (＜ 50㎛) 형성된 알루미늄 산화물(Al2O3)층이 파괴되어 Al와이어의 접합성이 좋게된다.
상부전극을 형성함에 있어서, 엑츄에이터를 구성하는 압전체의 크기를 엑츄에이터 동작시에 변위를 발생시키는 하부판의 면적보다 크게하고, 압전체판 상하로 변위 발생이 되지 않는 부분의 상부전극에 도선을 연결시켜 상부전극에 형성된 도선접합부가 엑츄에이터 운동에 방해가 되지 않도록 전극을 형성하는 방법이 있다.
제 6 단계
도 6에 도시된 바와 같이 하부판을 엑츄에이터가 필요한 소자에 접착하는 공정이다. 도 6b에 도시된 바와 같은 캔티레버(cantilever), 도 6c에 도시된 바와 같은 브리지(bridge), 도 6a에 도시된 바와 같은 다이아프람(diapragm)과 같은 형태가 가능하다.
캔티레버 또는 브리지의 경우 압전체가 일체로 형성된 하부판이 각각 독립적으로 형성될 필요가 있다. 이때도 기계적 가공 보다는 리소그래피 공정을 이용하여 하부판을 에칭한다. 압전체 엑츄에이터가 형성된 상면과 그 반대편(하부면)을 모두 포토레지스터로 도포하고 하부면에 노광을 하여 에칭패턴을 형성한다. 하부판에 형성된 다수의 압전체 엑츄에이터를 독립적으로 분리시키는 하부판 에칭은 하부판을 소자에 접착한 후에 하면 조립공정이 매우 쉬워진다. 캔태레버의 경우 엑츄에이터의 운동에 따라 응력이 집중되는 목(neck)부분에 형성되는 압전체판의 폭을 목부분 이외의 폭보다 좁게하면 엑츄에이팅효율을 높일수 있다.
소자에 접착된 엑츄에이터판에 전압을 인가하여 엑츄에이터판을 구동시킨다. 먼저 압전체에 형성된 전극에 강한 전장을 인가하여 압전체를 폴링해 주어야 한다. 그 뒤 전극에 전압을 걸어주면 하부판의 상부에 하부판과 일체로 형성된 압전체가 전기적 신호에 따라 신축함에 따라 전체 엑츄에이터판이 휨운동을 하게된다. 그리고 제조 공정중에 메탈라이징(metalizing)이나 솔더링(soldering)과 같이 150℃ 이상의 온도가 필요한 경우가 있으므로 압전체 폴링은 마지막 단계에서 하는 것이 안전하다.
하부판이 다이아프람의 형태로 고정된 엑츄에이터에서 가장 효과적인 압전체의 크기는 다이아프람 크기의 90% 이다. 엑츄에이팅이 가장 효과적일때의 효율을 100이라고 할 때 상부전극의 크기가 다이아프람 크기의 75% 이상이면 효율은 90이상이 된다. 습식에칭의 등방성에칭(isotrophic etching)을 이용하여 압전체 끝단(edge)에 오목한 형태의 꼬리(tail) 부분을 남길수 있다. 다이아프람의 폭(H)이 400㎛이고 압전체의 두께(D)가 40㎛인 경우 압전체의 등방성에칭을 이용하여 접촉면적은 100% 이면서, 면적비는 90%가 되는 이상적인 형태의 압전체 엑츄에이터를 형성할수 있다. 즉 상부전극의 폭보다 하부전극의 폭이 더 넓게 형성되어 압전체와 하부전극의 접착에 유리하게 된다.
마스크 작용을 하는 포토레지스터 표면과 압전체 사이에 마이크로 크랙을 만들거나(예 : 산화물 압전체와 포토레지스터의 접착력을 높여주는 HMDS처리공정을 생략한다.) 압전체 표면의 성분을 달리하여 에칭속도가 압전체 내부의 에칭속도 보다 빠르게 조절하여(예 : Pb가 함유된 압전체에서 Pb리치 표면을 형성하고 HCl 농도가 높은 에칭용액을 이용) 전체적으로 봐서 볼록한 형태로 구성된 압전체 엑츄에이터도 하부판이 다이아프람의 형태로 고정된엑츄에이터에서 매우 효과적이다.
또한 압전체판의 접착과 리소그래피 공정과 에칭공정을 이용하여 하부판의 상하에 압전체판을 형성하여 엑츄에이터로 사용할수도 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따르면 고온공정이 없으므로 하부판의 선택이 자유롭다. 그리고 벌크 압전체 형성공정을 이용하여 제조된 우수한 압전성질을 가지는 압전체를 이용할수 있으며, 매우 미세한 형태의 압전체패터닝이 가능하게 된다. 또한 곡선을 포함한 복잡한 모양의 엑츄에이터 형성이 쉽고 다수의 압전체 엑츄에이터 형성이 간편하다. 또한 상부전극에 비해 하부전극의 넓이를 크게 만들 수 있어 접착면적을 넓힐수 있으며 공정이 간단하여 재현성 및 수율이 높고 경제적이다.

Claims (21)

  1. 전체 금속성분 함유량의 40% 이상 60% 이하가 Pb또는 Ba로 구성된 페로브스카이트 결정구조를 가지는 판형의 산화물 압전체와 이 산화물 압전체판의 상부면과 하부면에 형성된 상부전극과 하부전극, 그리고 상기 전극이 형성된 산화물 압전체판의 하부에 일체로 접합되어 산화물 압전체판의 길이방향 신축운동을 휨운동으로 바꾸어주는 하부판으로 형성된 1개 이상의 압전체 엑츄에이터를 제작함에 있어서,
    상기 압전체판의 상부에 포토레지스터를 스핀코팅하고, 소프트 베이킹하고, 원하는 패턴의 마스크로 노광한 다음 노광된 압전체판을 현상한후 하드 베이킹하여 압전체의 에칭할 부분을 제외한 나머지 부분에 포토레지스터 패턴을 형성하고,
    상기 압전체판에서 포토레지스터 패턴부분을 제외한 나머지 부분을 HF가 첨가된 에칭용액을 이용하여 제거하며,
    상기 에칭이 완료된 다음 상기 포토레지스터 패턴을 제거하고 압전체의 상부에 상부전극을 형성함을 특징으로 하는 마이크로 엑츄에이터 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 압전체판에서 원하는 부분을 제외한 나머지 부분을 HCl가 첨가된 에칭용액을 이용하여 제거함을 특징으로 하는 마이크로 엑츄에이터 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 압전체판에서 원하는 부분을 제외한 나머지 부분을 제거하는 과정에서 상기 하부판에 접합된 압전체판 끝단의 꼬리 모양이 오목한 형태인 음의곡률을 가짐을 특징으로 하는 마이크로 엑츄에이터 제조방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 HF와 HCl의 성분비를 변화시켜 에칭속도를 0.1 ∼ 30㎛/min가 되도록 조절함을 특징으로 하는 마이크로 엑츄에이터 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 40%의 NH4F와 49% HF 함유량비가 4 : 1 에서 8 : 1이 되는 용액을 이용하여 에칭반응 진행에 따른 에칭속도변화를 최소화함을 특징으로 하는 마이크로 엑츄에이터 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 에칭온도를 변화시켜 에칭속도를 0.1 ∼ 30㎛/min으로 조절함을 특징으로 하는 마이크로 엑츄에이터 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 압전체판을 습식에칭한후 2차 에칭하여 표면에 남는 Pb리치 표면 또는 Pb를 제거함을 특징으로 하는 마이크로 엑츄에이터 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서, HCl와 BOE가 섞인 에칭용액으로 Pb리치 표면 또는 Pb를 제거함을 특징으로 하는 마이크로 엑츄에이터 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 압전체판의 내부보다 표면 또는 결정립 내부보다 결정립계에서의 에칭속도를 상대적으로 더 빠르게 해서 전체적으로 판형이 아닌 볼록한 형태의 압전체를 상기 하부판 위에 형성함을 특징으로 하는 마이크로 엑츄에이터 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 압전체판의 상부에 포토레지스터를 도포하기전에 HMDS처리를 하지않음으로써 포토레지스터와 압전체판 사이에 마이크로 크랙을 형성하고 에칭액이 상기 마이크로 크랙을 타고 들어와 에칭될수 있도록함을 특징으로 하는 마이크로 엑츄에이터 제조방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 압전체판의 표면과 내부의 Pb농도를 다르게 하고, 이를 이용하여 압전체 표면의 에칭속도를 빠르게 하여 전체적으로 끝단 부분의 두께가 얄게될수 있도록함을 특징으로 하는 마이크로 엑츄에이터 제조방법.
  12. 제 9 항에 있어서, 압전체의 결정입자와 결정입계 표면 내부의 Pb농도를 다르게하고, 이를 이용하여 전체적으로 끝단부분의 두께가 얄게될수 있도록함을 특징으로 하는 마이크로 엑츄에이터 제조방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 산화물 압전체의 에칭액이 상기 하부판을 에칭하지 못하도록 상기 하부판의 표면에 귀금속을 진공증착법에 의해 코팅함을 특징으로 하는 마이크로 엑츄에이터 제조방법.
  14. 제 1 항에 있어서, 압전체판을 에칭하여 패턴을 형성할 때 마스크로서 귀금속을 이용함으로써 마스크 형성공정이 상부전극 형성공정이 되도록함을 특징으로 하는 마이크로 엑츄에이터 제조방법.
  15. 제 14항에 있어서, 압전체판을 하부판에 접착제를 이용하여 붙이고, 압전체에 포토레지스터를 코팅한 다음 소프트베이킹한 뒤 귀금속을 증착하고 싶은 부분의 포토레지스터를 노광하고 하드베이킹한 뒤 현상하여 제거하고, 포토레지스터 패턴이 되어있는 부분에 스퍼터링과 같은 진공증착법을 이용하여 귀금속을 증착한 뒤 포토레지스터를 리프트 오프의 방법으로 제거하여 원하는 부분의 귀금속부분만 남도록 하고 상기 압전체판을 에칭하면 상기 귀금속부분이 상부전극으로 형성됨을 특징으로 하는 마이크로 엑츄에이터 제조방법.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 압전체판은 구성성분의 95% 이상이 PZT(Pb(Zr1/2Ti1/2)O3)로 구성되고, 4/6 ＜ Zr/Ti ＜ 6/4임을 특징으로 하는 마이크로 엑츄에이터 제조방법.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 압전체판은 구성성분의 95% 이상이 PLZT(Pb1-xLax(Zr1/2Ti1/2)O3)로 구성되고, La의 함유량은 5% 미만이며, 4/6 ＜ Zr/Ti ＜ 6/4임을 특징으로 하는 마이크로 엑츄에이터 제조방법.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 압전체판은 구성성분의 95% 이상이 BaTiO3이며, 4/6 ＜ Zr/Ti ＜ 6/4 이고, 소량 첨가되는 원소로는 Sr, Mn, Nb 등이 있으며 전체의 5% 미만임을 특징으로 하는 마이크로 엑츄에이터 제조방법.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 하부판은 금속박판으로 구성되며 구성성분의 10% 이상이 Cr 70% 이상인 Fe을 갖는 스테인레스스틸임을 특징으로 하는 마이크로 엑츄에이터 제조방법.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 하부판은 세라믹 박판으로 구성되며 ZrO2, Al2O3, SiO2함유량의 합이 구성성분의 80% 이상인 박판으로 구성됨을 특징으로 하는 마이크로 엑츄에이터 제조방법.
  21. 제 1 항에 있어서, 상기 포토레지스터는 비중 0.95이하의 음성감광제를 이용하며 상기 압전체판과의 접착력을 높이기위해 포토레지스터 도포전에 HMDS용액으로 표면처리함을 특징으로 하는 마이크로 엑츄에이터 제조방법.
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