KR20000009847A - 마이크로 엑츄에이터 제조방법 - Google Patents

마이크로 엑츄에이터 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 압전체를 진동판에 접착, 스크린 프린팅, 증착 등의 방법으로 형성한 다음 반도체 산업에서 쓰이는 리소그래피와 습식/건식에칭공정을 이용하여 압전체의 필요없는 부분을 제거하여 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 압전체와 이 압전체의 상부면과 하부면에 형성된 상부전극과 하부전극, 그리고 상기 전극이 형성된 압전체판의 하부에 형성되어 압전체의 길이방향 신축운동을 휨운동으로 바꾸어주는 진동판으로 형성된 1개 이상의 압전체 엑츄에이터를 제작함에 있어서, 상기 압전체의 상부에 포토레지스터를 스핀코팅하고, 소프트 베이킹하고, 원하는 패턴의 마스크로 노광한 다음 노광된 압전체를 현상한후 하드 베이킹하여 압전체의 에칭할 부분을 제외한 나머지 부분에 포토레지스터 패턴을 형성하고, 상기 압전체에서 포토레지스터 패턴부분을 제외한 나머지 부분을 HF가 첨가된 에칭용액을 이용하여 제거하며, 상기 에칭과정에서 상기 진동판이 에칭되지 않도록 내산성이 좋은 Cr, Al, Co등의 산화물을 상기 진동판의 상부에 형성한 특징이 있다.

Description

마이크로 엑츄에이터 제조방법
본 발명은 마이크로 엑츄에이터 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 진동판위에 압전체 박막을 접착, 스크린 프린팅, 증착 등의 방법으로 형성한 다음 박막위를 포토레지스터로 도포한후 리소그래피(lithography)공정과 습식에칭(wet etching) 및 건식에칭(dry etching)을 이용하여 진동판과 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 진동판과 진동판의 상부에 결합되어 폴링(polling:전기장을 가하면 압전체에 방향성이 형성됨)된 상태에 따라 변형을 일으키는 압전체가 구비된다.
종래에는 진동판의 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 진동판의 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 진동판(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 압전체를 진동판에 접착, 스크린 프린팅, 증착 등의 방법으로 형성한 다음 반도체 산업에서 쓰이는 리소그래피와 습식/건식에칭공정을 이용하여 압전체의 필요없는 부분을 제거하여 엑츄에이터를 제작함으로써, 다양한 형태의 엑츄에이터를 자유롭게 제작할수 있고 또한 경제적으로 제작할수 있는 마이크로 엑츄에이터 제조방법을 제공함에 있다.
도 1은 본 발명에 따른 엑츄에이터 제조과정을 나타낸 공정도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 진동판 2 : 압전체
3 : 상부전극 4 : 포토레지스터
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 전체 금속성분 함유량의 40% 이상 60% 이하가 Pb또는 Ba로 구성된 페로브스카이트 결정구조를 가지는 판형의 압전체와 이 압전체의 상부면과 하부면에 형성된 상부전극과 하부전극, 그리고 상기 전극이 형성된 압전체판의 하부에 형성되어 압전체의 길이방향 신축운동을 휨운동으로 바꾸어주는 진동판으로 형성된 1개 이상의 압전체 엑츄에이터를 제작함에 있어서, 상기 압전체의 상부에 포토레지스터를 스핀코팅하고, 소프트 베이킹하고, 원하는 패턴의 마스크로 노광한 다음 노광된 압전체를 현상한후 하드 베이킹하여 압전체의 에칭할 부분을 제외한 나머지 부분에 포토레지스터 패턴을 형성하고, 상기 압전체에서 포토레지스터 패턴부분을 제외한 나머지 부분을 HF가 첨가된 에칭용액을 이용하여 제거하며, 상기 에칭과정에서 상기 진동판이 에칭되지 않도록 내산성이 좋은 Cr, Al, Co등의 산화물을 상기 진동판의 상부에 형성한 특징이 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.
압전체(2)를 10㎛이상 300㎛이하의 얇은 판 형태로 제작하여 진동판(1)에 접착한다. 제작하는 방법에는 소성가공하는 방법이 있으며 또한 커다란 압전체(2)를 얇게 자른후에 양면을 래핑하여 얇은 판 형태로 제작하는 방법이 있다. 압전체로 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.
또한 비교적 두꺼운 압전체를 기계적 또는 화학적 처리를 통하여 얇게 만든후 진동판(1)에 접착하는 방법, 비교적 두꺼운 압전체를 진동판에 접착한 후에 기계적 또는 화학적 처리를 통하여 얇게 만드는 방법이 있다. 그리고 스크린 프린팅을 이용하여 진동판 위에 압전체를 형성하는 방법, 졸겔(Sol-Gel)방법을 이용하여 진동판위에 압전체를 형성하는 방법, 스퍼터링 방법을 이용하여 진동판 위에 압전체를 형성하는 방법 등이 사용될수 있다.
압전체(2)를 접착제(미도시)를 이용하여 진동판(1)에 붙이는 경우 엑츄에이팅 특성을 좋게 하기 위해 진동판(1)과 압전체의 접합을 단단히할 필요가 있다. 전도성 접착제를 도전성 진동판(1)에 전면 도포하여 각 엑츄에이터의 공통 하부전극으로 한다. 전면 도포된 접착제는 압전체를 산(acid)으로 에칭할 때 진동판(1)의 보호막 역할을 할수 있다. 패스트(paste)상태의 접착제는 스크린 프린팅 등의 방법을 이용해서 진동판(1) 또는 압전체(2) 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 진동판에 단단히 고정시킬수 있으며, 엑츄에이터의 컴플라이언스(compliance)를 낮추어서 엑츄에이팅 특성을 향상시킬 수 있다.
진동판은 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 진동판(1) 형태를 만들 수 있다. 또한 금속박판을 프레스 가공하여 필요한 부분의 진동판(1) 형태를 만들 수 있다. 또한 금속박판을 전주가공(electro-forming)으로 형성하여 필요한 형태로 진동판 형태를 만드는 방법이 있다.
세라믹박판으로 진동판이 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 진동판 형태를 만든후에 소결하여 만드는 방법도 있다.
그리고 소자에 엑츄에이터의 조립을 쉽게하기 위해 진동판의 모양을 비대칭적으로 만들거나 가이드홀을 형성하는 방법이 있다. 이러한 방법에는 가이드홀을 진동판에 1개이상 형성하는 방법, 진동판의 외형에 1개 이상의 노치를 형성하는 방법, 다각형 모양의 진동판에서 1개 이상의 모서리를 잘라서 다른 모서리와 구별되도록 하는 방법 등이 있다.
압전체의 에칭방법에는 습식에칭과 건식에칭이 사용된다. 다음은 습식에칭에 관한 것이다.
압전체(2) 상부에 포토레지스터(Photoresistor)(4)를 스핀코팅 하고, 소프트 베이킹(soft baking) 하고, 원하는 패턴의 마스크와 정열하여 노광한다. 포토레지스터(4)는 비중 0.095 이하의 음성포토레지스터가 이용된다. 그리고 압전체와 포토레지스터와의 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 압전체 에칭에는 음성포토레지스터가 더 적합하다.
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)
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 ±5℃이하로 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.
압전체를 건식에칭할 경우 CI가 함유된 에칭개스를 이용하는 방법이 있으며 또한 F가 함유된 에칭개스를 이용하는 방법 등이 있다.
또한 에칭전에 압전체 위에 상부전극을 형성하는 방법은 다음과 같다. 먼저 포토레지스터를 이용한 리소그라피 공정으로 상부전극(3)을 패터닝한 후에 다시 포토레지스터를 이용한 리소그라피 공정으로 압전체를 패터닝하는 방법이 있다. 그리고 상부전극을 압전체 전면에 도포한 후에 포토레지스터를 다시 전면 도포하고 리소그라피 공정으로 포토레지스터를 패터닝하여 상부전극 물질과 압전체를 차례로 패터닝하는 방법이 있다. 또한 포토레지스터를 이용한 리소그라피 공정으로 상부전극을 패터닝한 후에 상부전극을 마스크로 이용하여 압전체를 패터닝하는 방법 등이 있다.
또한 진동판이 압전체 에칭액과 반응하여 에칭되는 경우 다음의 방법으로 진동판을 보호해 주어야 된다.
진동판을 귀금속(Au, Pt, Ag등)으로 하는 것, 진동판을 산에 강한 폴리마이드(Polyimide)로 하는 것, 진동판 양면에 도금 또는 스퍼터링(sputtering)이나 에버포레이션(evaporation)과 같은 진공증착법으로 귀금속을 코팅하여 보호하는 방법, 압전체 에칭을 위한 포토레지스터 패터닝 공정시에 진동판 상부를 보호하는 포토레지스터를 함께 도포하는 방법, 포토레지스터를 스핀코팅 등의 방법으로 진동판 밑면에 도포하여 보호하는 방법, 폴리머 계통의 접착제(20)를 진동판 상부에 전면 도포하여 진동판 상부를 보호하는 방법 등이 있다.
또한 내산성이 좋은 Cr, Al, Co등의 산화물을 진동판 상부에 형성하거나, 압전체 하부에 형성하는 방법이 있다. 그리고 압전체 에칭액 또는 에칭개스에 애칭이 잘되지 않는 재료를 진동판으로 사용하는 방법, 압전체 에칭액 또는 에칭개스에 에칭이 잘되지 않는 물질을 진동판 상부에 코팅하는 방법, 압전체 에칭액 또는 에칭개스에 에칭이 잘되지 않는 물질을 압전체 하부전극으로 이용하는 방법, 도전체 진동판을 이용하여 이를 전극의 일부로 활용하는 방법 등이 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따르면 고온공정이 없으므로 진동판의 선택이 자유롭다. 그리고 벌크 압전체 형성공정을 이용하여 제조된 우수한 압전성질을 가지는 압전체를 이용할수 있으며, 에칭공정을 이용함으로 매우 미세한 형태의 압전체 패터닝이 가능하게 된다. 또한 에칭과정에서 진동판이 에칭되지 않도록 표면처리를 함으로 에칭과정에서 진동판의 변형이 방지되는 등의 효과가 있다.

Claims (11)

  1. 전체 금속성분 함유량의 40% 이상 60% 이하가 Pb또는 Ba로 구성된 페로브스카이트 결정구조를 가지는 판형의 압전체와 이 압전체의 상부면과 하부면에 형성된 상부전극과 하부전극, 그리고 상기 전극이 형성된 압전체판의 하부에 형성되어 압전체의 길이방향 신축운동을 휨운동으로 바꾸어주는 진동판으로 형성된 1개 이상의 압전체 엑츄에이터를 제작함에 있어서,
    상기 압전체의 상부에 포토레지스터를 스핀코팅하고, 소프트 베이킹하고, 원하는 패턴의 마스크로 노광한 다음 노광된 압전체를 현상한후 하드 베이킹하여 압전체의 에칭할 부분을 제외한 나머지 부분에 포토레지스터 패턴을 형성하고,
    상기 압전체에서 포토레지스터 패턴부분을 제외한 나머지 부분을 HF가 첨가된 에칭용액을 이용하여 제거하며,
    상기 에칭과정에서 상기 진동판이 에칭되지 않도록 내산성이 좋은 Cr, Al, Co등의 산화물을 상기 진동판의 상부에 형성한 것을 특징으로 하는 마이크로 엑츄에이터 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 압전체에서 원하는 부분을 제외한 나머지 부분을 HCl가 첨가된 에칭용액을 이용하여 제거함을 특징으로 하는 마이크로 엑츄에이터 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 압전체의 원하는 부분을 제외한 나머지 부분을 Cl이 함유된 에칭개스를 이용하여 제거함을 특징으로 하는 마이크로 엑츄에이터 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 압전체의 원하는 부분을 제외한 나머지 부분을 F가 함유된 에칭개스를 이용하여 제거함을 특징으로 하는 마이크로 엑츄에이터 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 진동판은 압전체 에칭액 또는 에칭개스에 에칭이 잘되지 않는 재료를 이용한 것을 특징으로 하는 마이크로 엑츄에이터 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 진동판의 상부에 압전체 에칭액 또는 에칭개스에 에칭이 잘되지 않는 물질을 코팅한 것을 특징으로 하는 마이크로 엑츄에이터 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 압전체 에칭액 또는 애칭개스에 에칭이 잘되지 않는 물질을 하부전극으로 이용하여 상기 진동판이 에칭되지 않도록함을 특징으로 하는 마이크로 엑츄에이터 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 내산성이 강한 Cr, Al, Co등의 산화물을 상기 압전체의 하부에 형성한 것을 특징으로 하는 마이크로 엑츄에이터 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 압전체는 스크린 프린팅의 방법으로 상기 진동판의 상부에 형성됨을 특징으로 하는 마이크로 엑츄에이터 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 압전체는 졸겔의 방법으로 상기 진동판의 상부에 형성됨을 특징으로 하는 마이크로 엑츄에이터 제조방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 압전체는 스터터링 방법으로 상기 진동판의 상부에 형성됨을 특징으로 하는 마이크로 엑츄에이터 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2023069876A1 (en) * 2021-10-21 2023-04-27 Baker Hughes Oilfield Operations Llc Methods of forming piezoelectric materials, piezoelectric devices, and associated tooling and systems

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