KR101168342B1 - 단결정을 이용한 ４－포인트 프로브 홀더의 제조방법 및 이에 의해 제조된 단결정 ４－포인트 프로브 홀더 - Google Patents

Abstract

본 발명은 4-포인트 프로브 홀더의 제조방법 및 이에 의해 제조된 4-포인트 프로브 홀더에 관한 것으로서, 기판과, 상기 기판에 결합되며 금속 재료로 형성된 전극, 프로브, 고정핀, 배선라인으로 이루어진 금속 부품을 포함하는 4-포인트 프로브 홀더의 제조방법에 있어서, 금, 구리, 은, 알루미늄, 니켈 중 어느 하나를 단결정으로 육성시키는 제1단계와; 상기 육성된 단결정을 원형 플레이트로 가공하는 제2단계와; 상기 원형 플레이트를 가공하여 4-포인트 프로브 홀더의 상기 금속 부품을 단결정 부품으로 형성하는 제3단계와; 상기 단결정 부품을 연마 및 미세가공하는 제4단계와; 상기 기판의 4-포인트부에 대응하여 상기 단결정 부품을 배치하고, 고정시키는 제5단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 단결정을 이용한 4-포인트 프로브 홀더의 제조방법 및 이에 의해 제조된 단결정을 이용한 4-포인트 프로브 홀더를 기술적 요지로 한다. 이에 의해 비전도성 시편의 경우에도 전기적인 특성인 홀효과의 측정(비저항 측정)이 가능하여, 기존의 4-포인트 프로브 홀더에서 불가능하였던 물질 분석의 정밀도를 향상시킬 수 있어 비저항의 측정 시편의 범위를 확대시켜 다양한 물질의 특성 분석이 가능한 이점이 있다.

Description

단결정을 이용한 ４－포인트 프로브 홀더의 제조방법 및 이에 의해 제조된 단결정 ４－포인트 프로브 홀더{manufacturing method of 4-point probe holder using single crystal and 4-point probe holder thereby}

본 발명은 4-포인트 프로브 홀더의 제조방법 및 이에 의해 제조된 4-포인트 프로브 홀더에 관한 것으로서, 특히 종자결정을 사용하여 단결정을 육성한 뒤 가공하여 기존의 4-포인트 프로브 홀더에 사용되는 금속 부분을 단결정으로 대체하여 측정 시편의 분석의 정밀도를 향상시키기 위한 단결정을 이용한 4-포인트 프로브 홀더의 제조방법 및 이에 의해 제조된 단결정 4-포인트 프로브 홀더에 관한 것이다.

일반적으로 단결정은 어떤 고체 안에 존재하는 원자?이온?분자가 규칙적인 배열을 가지는 것으로, 전체적인 내부 원자 배열이 규칙적이면서 완전한 구조를 갖는 것을 말한다. 이러한 단결정은 내부 원자의 규칙적인 배열에 의해 광택이 뛰어나고 깊은 색채감을 느낄 수 있으며, 격자결함이 없고 광택이 오래가게 된다. 또한 구조가 빈틈없이 완벽하므로 일반금속보다 더 단단한 성질을 가지고 있다.

이러한 단결정 중 금속 단결정은 전기 전도성이나 열 전도성이 뛰어나게 되고 전기적인 신호전달에 노이즈를 줄여주며, 특히 단결정 금속이 아닌 일반 금속인 금, 구리, 은, 알루미늄, 니켈 등은 본래 전기 전도성이나 열 전도성이 어느 정도 우수한 성질을 가지고 있어, 전기, 전자 부품이나, 소자로 널리 사용되고 있는 실정이었다.

특히 이러한 전기, 전자 부품이나 소자 중에 반도체 소재 개발에 있어서 핵심 특성 측정 중 하나인 홀효과 측정장치에 사용되는 4-포인트 프로브 홀더(4-point probe holder)는 전도도가 좋은 시료의 경우 기존의 4-포인트 프로브 홀더에 의하여도 오류없이 비저항의 측정이 가능하나, 비전도성 물질에 대하여서는 측정 자체가 불가능한 문제가 있다.

따라서, 일반 금속으로 이루어진 4-포인트 프로브 홀더는 최근의 전기, 전자 제품의 소형화 및 고집적화, 다양한 소재로의 적용에 따른 추세에 따르면 그 효율 및 분해능을 따라가지 못하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래기술들의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 종자결정을 사용하여 단결정을 육성한 뒤 가공하여 기존의 4-포인트 프로브 홀더에 사용되는 금속 부분을 단결정으로 대체하여 측정 시편의 분석의 정밀도를 향상시키기 위한 단결정을 이용한 4-포인트 프로브 홀더의 제조방법 및 이에 의해 제조된 단결정 4-포인트 프로브 홀더의 제공을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 기판과, 상기 기판에 결합되며 금속 재료로 형성된 전극, 프로브, 고정핀, 배선라인으로 이루어진 금속 부품을 포함하는 4-포인트 프로브 홀더의 제조방법에 있어서, 금, 구리, 은, 알루미늄, 니켈 중 어느 하나를 단결정으로 육성시키는 제1단계와; 상기 육성된 단결정을 원형 플레이트로 가공하는 제2단계와; 상기 원형 플레이트를 가공하여 4-포인트 프로브 홀더의 상기 금속 부품을 단결정 부품으로 형성하는 제3단계와; 상기 단결정 부품을 연마 및 미세가공하는 제4단계와; 상기 기판의 4-포인트부에 대응하여 상기 단결정 부품을 배치하고, 고정시키는 제5단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 단결정을 이용한 4-포인트 프로브 홀더의 제조방법 및 이에 의해 제조된 단결정을 이용한 4-포인트 프로브 홀더를 기술적 요지로 한다.

또한, 제2단계 및 제3단계는, 프레스 가공법, 와이어컷 방전가공법, 워터젯 방전가공법 및 3차원 방전가공법 중에 어느 하나의 방법을 사용하거나, 이들을 혼용하여 사용하는 것이 바람직하다.

상기 과제 해결 수단에 의한 본 발명에 따른 단결정을 이용한 4-포인트 프로브 홀더는 비전도성 시편의 경우에도 전기적인 특성인 홀효과의 측정(비저항 측정)이 가능하여, 기존의 4-포인트 프로브 홀더에서 불가능하였던 물질 분석의 정밀도를 향상시킬 수 있어 비저항의 측정 시편의 범위를 확대시켜 다양한 물질의 특성 분석이 가능한 효과가 있다.

도 1 - 본 발명의 일실시예에 따른 구리 단결정을 이용한 4-포인트 프로브 홀더의 제조방법을 나타낸 모식도.

본 발명은 단결정을 이용한 4-포인트 프로브 홀더의 제조방법 및 이에 의해 제조된 단결정 4-포인트 프로브 홀더에 관한 것으로서, 기존의 4-포인트 프로브 홀더에 사용된는 PCB 기판은 그대로 사용하고, 여기에서의 금속 재료로 이루어진 금속 부품을 단결정 부품으로 대체한 것이다.

기존의 4-포인트 프로브 홀더는 4-포인트부와 전극부가 펀칭되어 형성된 PCB기판과, 상기 전극부에 형성되는 전극, 상기 4-포인트부에 단부가 고정되어 십자형태로 배치되는 4개의 프로브 및 상기 프로브를 상기 4-포인트부에 고정시키는 고정핀(핀 및 와셔, 스프링)으로 크게 구성되며, 상기 전극과 상기 4-포인트부에 고정된 고정핀을 전기적으로 연결하는 배선라인으로 구성된다. 여기에서 금속 재료로 이루어진 금속 부품은 전극, 프로브, 고정핀, 배선라인이며, 본 발명에서는 기존의 4-포인트 프로브 홀더에서 상기의 금속 부품을 단결정으로 형성한 것이다.

이에 의해 반도체 재료의 홀효과 측정을 위한 4-포인트 프로브 홀더의 금속부품을 단결정 부품으로 형성하여 전도성 물질에 대한 비저항의 정밀한 측정뿐만 아니라, 비전도성 물질의 경우에도 비저항 측정이 가능하여, 여러가지 시편의 홀효과 측정이 가능한 효과가 있다. 특히 전도도가 좋지 않은 시편의 경우 측정 시 가용하는 전류에 민감하므로, 본 발명에 따른 단결정 4-포인트 프로브 홀더를 이용한 경우에는 ㎂ 단위의 전류를 인가하여도 측정이 가능하여 시편 물성 분석의 정밀도를 향상시키는 이점이 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 구리 단결정을 이용한 4-포인트 프로브 홀더의 제조방법을 나타낸 모식도이다.

먼저, 육성하고자 하는 금속 덩어리(금, 은, 구리, 알루미늄, 니켈, 기타 이들 중 하나의 금속 덩어리)를 성장도가니(BN도가니, 석영도가니, 흑연도가니, 알루미나도가니 등)에 넣어서, 상기 금속덩어리가 포함되어 있는 성장도가니를 유도코일을 이용한 유도가열 또는 탄소히터를 이용하여 상기 금속덩어리를 용융시킨다. 본 발명에서는 성장도가니로 흑연도가니를 사용하거나 또는 흑연도가니를 외부도가니로 사용하고 BN도가니, 석영도가니, 알루미나도가니 중 하나를 내부도가니로 사용하는 이중 구조도가니를 이용하였다.

본 발명에서는 구리 단결정을 육성하는 방법에 대해 상세히 기술하기로 한다.

여기서 구리는 탄소와 급격하게 화학적 결합을 하지 않으므로 성장도가니를 흑연도가니 또는 외부도가니가 흑연도가니인 이중 구조도가니를 사용하였다. 성장도가니를 발열체로 사용하는 이유는 금속 단결정이 육성되어지면서 도가니에 잔류한 용융상태의 덩어리 양이 감소되는 경우에 유도 가열의 온도 조절이 어렵다는 것이다. 그래서 성장도가니를 발열체로 사용하여 도가니 자체의 온도를 제어하는 것이 금속단결정을 육성하는데 용이하다는 것이다. 성장도가니와 일반 구리는 RF 도가니를 이용하여 금속의 녹는점까지 유도가열한다. 구리의 녹는점이 각각 1083℃므로 녹는점보다 30℃ 정도 높은 온도까지 가열하여 구리를 완전히 녹인다.

그리고 원하는 결정구조를 지닌 종자결정을 제조하여 초크랄스키 방법에 의해 단결정을 육성시키게 된다. 종자결정은 (100), (110), (111) 방향으로 막대모양으로 각각 제조된 것이다. 또한 구리 단결정을 육성하기 위해 성장온도는 1100℃~1000℃의 범위 내에서 실시하였으며, 액상의 온도를 0.1~1℃/min 범위 내에서 조절해가면서 성장시키는 종자결정을 이용한 초크랄스키 방법으로 구리의 고순도 금속 단결정을 육성한다.

다음은 상기 육성된 구리 단결정을 이용하여 4-포인트 프로브 홀더(100)에 사용되는 금속 부품의 형태로 가공하기 위해, 상기 육성된 고순도 구리 단결정을 프레스가공법, 와이어컷(wire-cut) 가공법, 워터젯 방전가공법, 3차원 방전가공법 중에 어느 한 방법을 이용하여 원하는 두께의 원형 플레이트(20)로 가공한다. 여기에서 원형 플레이트(20)의 두께는 앞으로 가공될 부품의 두께나 크기를 고려하여 절단하게 된다.

그리고, 상기 원형 플레이트(20)를 가공하여 4-포인트 프로브 홀더(100)의 상기 금속 부품을 단결정 부품으로 형성시킨다. 종자결정인 단결정 시드로부터 육성된 단결정(10)을 와이어컷(wire-cut)(30)으로 원형 플레이트(20)로 절단한 후 상기 원형 플레이트(20)에서 전극(211), 프로브(212), 고정핀(213), 배선라인(214)을 가공하고, 이를 연마 및 미세가공하여 기존의 금속 부품을 단결정 부품으로 형성한다. 즉 형태는 기존의 금속 부품과 동일하나 그 재료를 단결정으로 대체하고자 하는 것이다.

여기에서 전극(211)과 배선라인(214)은 일반적으로 길이 방향으로 길게 형성되고, 프로브(212)는 시편에 접촉되는 팁과 상기 팁에서 연장형성되어 'ㄷ'자 형태로 형성된 완충부와 상기 완충부에서 연장형성되어 상기 고정핀(213)이 결합되어 상기 4-포인트부에서 고정되는 지지부를 가지는 형태이다. 상기 프로브(212)의 팁은 시편과 접촉되며 고정핀(213)이 지지부에 결합되어 기판(110) 아랫면에서 배선라인(214)과 결합되어 전극(211)과 접촉되게 된다. 그리고, 상기 고정핀(213)은 일반적으로 핀, 스프링, 와셔로 구성되며, 상기 원형 플레이트(20)에서 가공의 편리를 위해 실린더 형태로 가공한 후 핀을 가공하고, 와셔는 따로 가공한다. 그리고 스프링은 종래의 제품을 사용하여도 무방하다.

상기의 전극(211), 배선라인(214), 프로브(212), 고정핀(213)의 가공은 프레스가공법, 와이어컷(wire-cut)(30) 가공법, 워터젯 방전가공법, 3차원 방전가공법 중에 어느 한 방법을 이용한다.

또한 상기 가공법을 거친 후에는 단결정 부품을 미세가공하고, 단결정 부품의 측면 또는 단면에 대한 응력의 일부를 완전히 제거하기 위해 0.3㎛ 입자의 크기를 지닌 알루미나 분말을 이용하여 표면을 연마할 수도 있다.

그리고, 기판(110)의 4-포인트부에 대응하여 상기 단결정 부품을 배치하고, 고정시킨다. 즉, 4개의 프로브(212)를 기판(110)에 배치하고 고정핀(213)으로 프로브(212)를 기판(110)에 고정한 후 기판(110)의 뒷면에서 배선라인(214)을 결합하여 전극(211)과 접촉되도록 형성한다. 도 1의 마지막 제조공정 단계에서 본 발명에 따른 4-포인트 프로브 홀더(100)의 앞면(a)과 뒷면(b)을 나타내었다.

다음 표 1은 전도성 시편(ITO 박막)에 대한 홀효과를 측정(비저항 측정)한 것으로서, 본 발명에 따른 구리 단결정을 이용한 4-포인트 프로브 홀더(SSC stage)와 기존의 구리 금속으로 이루어진 4-포인트 프로브 홀더(General stage)로 측정한 것이다.

<표 1>

표 1에 나타난 바와 같이, 전도도가 좋은 시편의 경우 두 홀더 모두 오류 없이 측정이 가능하였다.

다음 표 2는 비전도성 시편(Mn doped ZnO 박막)에 대한 홀효과를 측정(비저항 측정)한 것으로서, 본 발명에 따른 구리 단결정을 이용한 4-포인트 프로브 홀더(SSC stage)와 기존의 구리 금속으로 이루어진 4-포인트 프로브 홀더(General stage)로 측정한 것이다.

<표 2>

표 2에 나타난 바와 같이, 전도도가 좋지 않은 시편의 경우에는 측정 시 가용하는 전류에 민감하게 반응하게 되며, Mn doped ZnO 박막의 경우, 단결정 구리를 이용한 4-포인트 프로브 홀더에서는 ㎂ 단위의 전류를 인가하고 측정이 가능하였지만, 상용화된 4-포인트 프로브 홀더의 경우에는 전류가 인가되지 않고 접촉 실패(contact fail)로 측정할 수 없었다.

이와 같이 본 발명에 따른 단결정을 이용한 4-포인트 프로브 홀더의 경우에는 비전도성 시편의 경우에도 전기적인 특성인 홀효과의 측정(비저항 측정)이 가능하여, 기존의 4-포인트 프로브 홀더에서 불가능하였던 물질 분석의 정밀도를 향상시킬 수 있어 비저항의 측정 시편의 범위를 확대시키는 이점이 있다.

10 : 육성된 단결정 20 : 원형 플레이트
30 : 와이어컷 100 : 4-포인트 프로브 홀더
110 : 기판 211 : 전극
212 : 프로브 213 : 고정핀
214 : 배선라인

Claims (3)

1. 기판과, 상기 기판에 결합되며 금속 재료로 형성된 전극, 프로브, 고정핀, 배선라인으로 이루어진 금속 부품을 포함하는 4-포인트 프로브 홀더의 제조방법에 있어서,
   금, 구리, 은, 알루미늄, 니켈 중 어느 하나를 단결정으로 육성시키는 제1단계와;
   상기 육성된 단결정을 원형 플레이트로 가공하는 제2단계와;
   상기 원형 플레이트를 가공하여 4-포인트 프로브 홀더의 상기 금속 부품을 단결정 부품으로 형성하는 제3단계와;
   상기 단결정 부품을 연마 및 미세가공하는 제4단계와;
   상기 기판의 4-포인트부에 대응하여 상기 단결정 부품을 배치하고 고정시키되, 4개의 프로브를 기판에 배치하고 고정핀으로 프로브를 기판에 고정한 후, 기판의 뒷면에서 배선라인을 결합하여 전극과 접촉되도록 형성하는 제5단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 단결정을 이용한 4-포인트 프로브 홀더의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 제2단계 및 제3단계는,
   프레스 가공법, 와이어컷 방전가공법, 워터젯 방전가공법 및 3차원 방전가공법 중에 어느 하나의 방법을 사용하거나, 이들을 혼용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 단결정을 이용한 4-포인트 프로브 홀더의 제조방법.
3. 금, 구리, 은, 알루미늄, 니켈로 구성된 그룹 중 어느 하나의 금속으로 육성된 단결정을 절단 가공하여, 4-포인트 프로브 홀더에 사용되는 전극, 프로브, 고정핀, 배선라인으로 이루어진 금속 부품을 단결정 부품으로 형성시키고, 기판의 4-포인트부에 대응하여 상기 단결정 부품을 배치하고 고정시키되 4개의 프로브를 기판에 배치하고 고정핀으로 프로브를 기판에 고정한 후, 기판의 뒷면에서 배선라인을 결합하여 전극과 접촉되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 단결정 4-포인트 프로브 홀더.

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