편집부(외신) 박막필름 재료에 기초를 둔 Lead Zirconate Titanate- (PZT-)이 그 뛰어난 압전적 특성 때문에 많은 미세 전기기계 시스템(MEMS)에 일반적인 재료로 선택되어왔다. PZT박막 필름이 미세기계가공된 기판과 함께 사용되어질 때, 이 필름의 압전기적 반응이 전기적 입력 신호에 의해 장치에 기계적 동작을 일으키게 된다. 기계적 에너지 출력의 극대화를 위해 재료, 구조적 설계를 포함한 모든 가능한 영향이 그들의 전기적, 기계적 역할에 대하여 특성화 되어야 한다. 거의 모든 MEMS장비들이 충동, 진동, 회전작용과 같은 성능의 이행을 가능하게 할 수 있도록 미세기계가공 되어진다. 현재의 연구에서 관심이 집중되고 있는 구조는 얇은 PZT 필름에 의해 작용된 실리콘 막이다. (100)실리콘 웨이퍼 상에 일정하고 범용적인 두께의 막을 제조하기 위해서, 붕소 에치스톱이 높은 농도에서 웨이퍼의 한쪽면(앞면)속으로 확산되는 것에 의해 사용되었다. 일반적인 (100)실리콘의 이방성 습 에칭용액은 짙게 도핑된 붕소 실리콘 표면(>7×1019cm-3)의 에칭속도를 50배이상 감소시키고 35:1의 범위에서 (100)/(111)에칭 감도를 유지한다. SiO2는 실리콘 위에서 성장하여 기판으로부터 막을 격리시키고 구조적 요소로써 작용한다. 티타늄은 바닥 전극으로써 사용되는 백금의 응착층으로써 사용된다. 백금은 쉽게 산화되지 않고 졸-겔에서 추출된 PZT의 원주형 입자성장을 촉진시키기 때문에 화학적 불활성을 제공한다. PZT는 금속유기물의 전조적 용액으로 사용되는데 이것은 고품질의 최종 필름 제품, 낮은 비용, 화학양론적 조절등 때문이다. 캔틸레버 빔 제조 또한 막으로써 같은 재료로 구성된 캔틸레버를 만들 수 있는 능력을 결정하기 위해 사용되었다. 헤테로 구조의 캔틸레버 빔에 대한 성공적인 제조는 각층의 기계적 특성에 대한 평가를 가능하게 하여 기계적 시험, 나노인덴테이션 기법으로 완전히 특성화되어진다. 마이크로캔틸레버 빔 또한 고저파 압전기 상수 d31의 측정을 가능하게 한다. 과정 적합성 문제 같은 기판위에 여러 다른 재료로 구성된 장치를 제조하기 위해서, MEMS에서 일반적인, 재료들의 모든 과정에 대한 적합성이 잘 이해되어야 한다. 고온에서 사용되어 지기 때문에 붕소의 도핑과 산화가 가장 먼저 이루어져야 한다. 에틸디아민/pyrocatecol /water(EDP), 테트라메틸암모늄 수산화물(TMAH) 또는 칼륨 수산화물(KOH)을 사용하는 실리콘의 습식에칭동안 고품질의 티타늄-백금 또는 PZT를 유지하기가 어렵기 때문에 이방성 실리콘 에칭이 이행될 2차 주요 과정으로 선택되었다. 실리콘의 습식 에칭은 TMAH 또는 EDP로 이행할 수 있는데 이것은 두가지 용액 모두 산화 마스크에 높은 감도를 가지고, p++에치스톱에 융화성을 가지고 비교적 높은 속도를 가지기 때문이다. KOH의 산화감도는 SiO2가 마스크로써 사용되어질때 또는 중요한 구조적 요소로 사용되어질 때는 사용하기에 너무 높은 감도를 가진다. TMAH 에칭속도는 EDP와 거의 비슷하고 더 양성의 화학적 성질을 가진다. 그러나 실험실에서의 TMAH의 유용성과 표면의 돌기형성 때문에 고품질의 표면 가공을 얻기가 어려운 것이 주요한 장애이다. EDP는 뛰어난 표면 가공과 빠른 에칭 속도, 연구실 설치 유용성 때문에 실리콘 기계가공을 위한 에칭제로 사용되어 왔다. 티타늄-백금 침전은 백금의 침전이전에 티타늄의 산화를 방지하기 위해 같은 침전 챔버에서 이루어진다. 스퍼터링과 전자빔 발산은 동시에 진행되어진다. 전자빔 발산은 스퍼터링 시스템을 위한 고가의 백금에 대한 투자 대신에 무게에 의한 백금 구매를 위한 선택 때문에 사용되어져 왔다. PZT 침전이 회전 코팅을 사용하여 이루어지기 때문에 기판으로써 사용되어지는 표면은 고품질의 필름을 얻기 위해 평평하고 부드러워야 한다. 티타늄-백금 층은 부드럽고 평평한 표면에 침전 되어야하고, 만일 티타늄-백금층이 미세기계가공 되어져야 한다면 PZT 침전 후에 에칭 되어야한다. 이러한 접근은 일반적인 건식 또는 습식 에칭 방법을 사용하여 백금을 에칭하기에는 어렵기 때문에 큰 방해를 받는다. Si/SiO2 캔틸레버를 제조하기 위해서 건식 에칭이 박막에 걸쳐 캔틸레버 형태로 맞추는데 사용되었다. SF6가 기체로 사용되었고, 이것이 실리콘 에칭 과정에서 유일한 기체이기 때문에 PZT를 포함하는 MEMS기초의 과정과 일치한다. 박막의 제조 실리콘 웨이퍼(지름 3인치(7.6cm), 두께 350~400㎛)가 1050℃, 2시간 동안 증기(습식산화), 산소, 질소 환경에서 산화되었고, 실리콘 상에 500nm 두께의 산화물로 성장되었다. 산화물은 반도체 테이프와 HF, NH4F(BOE 10:1)로 구성된 완충 산화 에칭(BOE)를 사용하여 웨이퍼의 측면에서 제거되었다. 붕소 침투가 1125℃에서 2.5시간동안 붕소 플레너 디스크를 사용하여 이루어졌다. 산화처리(900℃, 10min)가 실리콘 표면에 형성된 붕소스킨의 제거를 용이하게 하기 위해 붕소 확신이전에 이루어진다. 디글레이징이 BOE 10:1을 사용하여 행해졌고, 수반되는 희생 저온 산화물(LTO)이 증기, 산소 환경에서 2시간동안 850℃에서 성장되었다. 산화물은 BOE 10:1을 사용하여 제거되었고, 최종 LTO는 증기 및 산소 환경에서 3시간동안 850℃로 성장되었다. 희생 산화물은 실리콘의 표면을 개선하기 위해 에칭되었다. 표준사진석판술 기술과 콘텍트얼라이너가 에칭제로써 BOE 10:1을 사용한 2.57mm 정방으로 구성된 웨이퍼의 뒷면에 산화물 마스크를 생성하기 위해 사용되었다. 이 웨이퍼는 5.5시간동안 110℃에서 실리콘 에칭제 EDP를 사용하여 에칭 되었고, 그 결과로 실리콘 박막이 형성되었다. EDP로부터 제거된 유기질 산화제 미소조각이 표면을 깨끗이 하고 잔여 유기질 제거를 위해 사용되었다. 박막 제조를 위해 설계된 웨이퍼는 응착에 의해 20nm의 티타늄과 전자빔 발산에 의해 200nm의 백금(하부 전극)이 코팅되었다. PZT 박막 필름 박막 필름 PZT(52/48)이 금속유기물 전조 용액의 스핀 코팅을 통해서 백금화된 실리콘 기판상에 침전되었다. 0.5M의 전조 용액이 무수물 납 아세테이트, 티타늄 이소프록사이드, 지르코늄 n-프록사이드의 화학량을 사용하여, 소결중에 발생할 수 있는 납손실에 대하여 10%의 초과 납을 첨가하여 제조되었다. 무수물 납 아세테이트는 납 아세테이트 삼수화물과 2-methoxyethonal(2MOE)의 증류를 통해서 얻었고 다음의 용제를 사용하였다. 각각의 잔여 요소에 2MOE-무수물 납아세테이트 용액을 첨가한 후에 2시간 동안 120℃에서 환류액이 처리되었다. 최종 증류액은 0.5M의 농도를 가지게 된다. 스핀 코팅이 12초 동안 3000rpm으로 사용되었고 5분 동안 150℃와 5분 동안 350℃에서의 열처리가 이어졌다. 네 층들은 10분동안 700℃의 최종 소결전에 적용되었다. 상부의 1mm 지름을 가지는 금 전극은 박막과 마스크를 사용한 기판 전체에 직접적으로 PZT 필름에 적용된다. 캔틸레버 빔 제조 캔틸레버 빔 제조를 위해서, 티타늄-백금은 박막에 미치는 산화물과 실리콘의 영향을 조사하기 위해 침전되지 않았다. 사진석판 기술이 웨이퍼의 상부(붕소 도핑된 부분)에, 뒷면 에칭으로부터 제조된 박막 전체에 직접적으로, 캔틸레버 빔 패턴을 만들기 위해 사용되었다. 포토레지스트가 BOE 10:1에서의 산화물 에칭과 2분 동안 125W에서 SF6기체를 사용하여 만든 반응이온 에칭(RE;Model Phanton D, Trion, Stanford, N.C.)을 사용한 실리콘 에칭에 마스크로써 사용되었다. 잔여 포토레지스트는 제거되었고, 에칭의 나노조각은 표면을 완전히 깨끗이 하는 데에 다시 사용되었다. 미세기계가공된 기판 SiO2 두께가 사전에 웨이퍼의 뒷면에 그리고 실리콘의 에칭 중에, 에칭 속도를 설정하기 위해 측정되었다.(Model 210 Nanospec. Nanometrics, Sunnyvale, Calif.). EDP 실리콘 에칭 중에 산화물 마스크의 에칭 속도는 6~8nm/h이다. 110℃에서 EDP에 의한 (100)실리콘의 에칭 속도는 부분적으로 에칭된 박막에 방울 게이지 측정(Model CP25M, Heidenhain, Schaumburg, III)를 사용하여 측정하였다. 측정된 에칭 속도는 60~65㎛/h이다. 이 두 가지의 값 모두는 이전에 EDP에 의해 측정된 에칭 속도와 일치한다. 방울 게이지와 SEM 현미경(Model JSM 6400, JEOL, Tokyo)를 사용하여 측정된 바와 같이 실리콘 기판 안의 미세기계가공된 박막의 최종 두께는 2.75㎛이다. SEM현미경은 또한 박막 하부의 부드러운 에칭 표면을 나타내고 이것은 균일한 붕소 도핑을 의미한다. (100)웨이퍼의 (110)면에 적절히 정렬될 때, 이방성 EDP 에칭은 박막의 평평한 옆면으로써 (111) 평면으로 나타난다. 캔틸레버 빔 특성 박막의 상부로부터 미세기계가공된 캔틸레버는 붕소 확신 깊이에 의해 나타난 2.75㎛의 두께를 가진다. 제조된 캔틸레버의 길이와 폭은 각각 60에서 400㎛와 30에서 60㎛로 다양하다. 몇몇 캔틸레버는 SEM 현미경에 의한 외관과 수반되어 측정된 길이에 기초를 둔 소량의 굴절을 나타낸다. BOE의 습식 에칭에 의한 이산화물의 제거는 굴절의 일부를 상쇄하는 경향이 있지만 완전하게 완화하진 않는다. 이러한 굴절은 최종 산화 처리 중에 캔틸레버로 전해진 잔류응력에 의한 것일 수 있다. 로 냉각 또는 과정의 완료시의 단기간의 어닐링이 이 응력을 최소화 할 수 있는 더 뛰어난 방법이다. 관찰된 굴절의 또 다른 가능한 원인은 캔틸레버가 자체의 무게를 지탱하기에 충분한 두께를 가지지 않고 그렇기 때문에 굴절이 일어나게 된다. 짧은 길이(<250㎛)의 캔틸레버는 굴절을 나타내지 않는 경향이 있다. 강유전체 특성 프로필로미터(Model Alpha Step 100, Tencor, San Jose, Calif.)가 사층 PZT 박막 필름의 두께를 측정하기 위해 사용되었고, 그 결과는 280nm이다. 강유전체 실험(Model RT66A. Radiant Technologies, Downey, Calif.)이 백금 합금된 실리콘 기판상에 침전된 PZT 박막 필름상에 Si/SiO2/Ti-Pt/PZT/Au 기판(실리콘 두께 350mm)의 PZT 박막 필름의 자기이력현상 곡선과 Si/SiO2/Ti-Pt/PZT/Au 박막(실리콘 두께 2.75㎛)상의 PZT 박막 필름을 비교하기 위해서 행해졌다. 두 가지 선-결합 방법이 상부 전극과 접촉하기 위해 사용되었고, 전극 상부 위에 직접적으로 위치한 바늘 소자는 측정이 이루어짐에 따라 박막의 치환 때문에 훌륭한 전기적 접촉을 제공하진 않는다. 첫번째 방법에서, 흑연 페이스트가 바늘소자와 필름상의 상부전극사이의 전극 위에 위치된다. 이 방법은 필름으로 전해진 바늘 소자로부터의 응력 때문에 필름에 부분적으로 죄어진 전극을 제조한다. 흑연 페이스트는 치환 완충제로써 작용하여 실험 동안 일정한 전기적 접촉을 유지하게 한다. 두번째 방법은 상부 전극의 흑연 페이스트와 구리선(지름 40㎛)의 결합을 포함하고 선을 통하여 전기적 접촉을 유지한다. 이 방법은 클램프 되지 않은 전극을 가지는 PZT박막 필름을 제공하고 어떠한 기계적 응력도 가지지 않는 얇은 선을 통하여 상부 전극과 접촉하기 때문에 어떠한 을력도 전달되지 않는다. 가공되지 않은 기판상의 박막 필름에 대한 접촉 방법은 기질에 필름의 클램핑 때문에 성극-전기장(P-E) 자기이력 곡선에 차이를 나타내지 않는다. 박막상에 부분적으로 클램프된 상부전극 PZT와 실리콘 기판상의 PZT는 비슷한 강유전적 특성을 나타낸다. 항전계(Ec), 잔여 성극(Prem), 포화 성극(Psat)이 유사한 값을 가진다. 이것은 박막상의 필름이 강성 상부전극의 적용에 의해 기판상의 필름과 유사하게 제한되었다는 것을 의미한다. 자기이력곡선의 비교가 두 가지 측정 모두에 대하여 박막상에 기록 되었다. 클램프되지 않은 전극의 Psat와 Prem의 값은 부분적으로 클램프되어진 전극과 비교할 때 상당히 높은 값을 가진다. 이것은 클램프되지않은 전극이 PZT박박에 어떠한 응력도 전달하지 않고 완전히 치환한다는 사실에서 알 수 있다. Ec의 값은 실험된 두 가지 방법 모두에서 같았다. (Ceramic Bulletin)