KR100283397B1 - Micro Thruster Fabricated By Silicon Micromachining Method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘 마이크로머시닝 기법에 의하여 제조된 추진기에 관한 것으로서, 실리콘 웨이퍼의 양면에 있는 실리콘옥사이드 층을 각각 패터닝하는 단계; SF6와 O2플라즈마를 이용한 RIE 방식에 의한 딥 실리콘 식각 공정에 의하여 실리콘 웨이퍼의 일면에 추진기의 챔버를 형성하고, 실리콘 웨이퍼의 타면에 추진기의 출력부를 형성하는 단계; 및 실리콘 웨이퍼의 양면의 실리콘옥사이드 층을 제거한 후, 실리콘-실리콘 퓨젼 결합에 의하여 실리콘 웨이퍼의 일면을 봉하여 추진기의 챔버를 완성하는 단계를 포함하는 실리콘 마이크로머시닝 기법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 실리콘 마이크로머시닝 기법에 의하여 제조된 추진기는 유체 선형 증폭기와 함께 집적화할 수 될 수 있는 장점이 있다.The present invention relates to a propeller manufactured by a silicon micromachining technique, comprising: patterning each of the silicon oxide layers on both sides of a silicon wafer; Forming a chamber of the propeller on one surface of the silicon wafer by a deep silicon etching process using an RIE method using SF 6 and O 2 plasma, and forming an output of the propeller on the other surface of the silicon wafer; And after removing the silicon oxide layers on both sides of the silicon wafer, sealing one side of the silicon wafer by silicon-silicon fusion bonding to complete the chamber of the propeller. The thruster manufactured by the silicon micromachining technique according to the present invention has an advantage that it can be integrated with a fluid linear amplifier.
Description
본 발명은 실리콘 마이크로머시닝 기법에 의하여 제조된 초소형 추진기에 관한 것이다.The present invention relates to a micro propeller manufactured by silicon micromachining techniques.
본 발명에 의한 추진기는 유체 소자로서, 유체 소자는 종래의 유압 기기와는 달리 움직이는 부분이 없이 유체의 흐름만을 이용하여 원하는 출력을 얻는 소자를 말한다. 이러한 유체 소자의 특징으로 인하여, 구동부에서의 잦은 움직임에 의한 마찰, 마모의 문제나 연결부에서의 유체의 누출과 같은 문제점이 없다. 또한, 유체 소자는 전자 회로에 비하여 전자기파나 온도 변화에 대한 영향을 받지 않고, 제어 신호를 기계적인 신호로 바꿀때의 전기적-유체학적 인터페이스가 필요없는 장점이 있다.The propeller according to the present invention is a fluid element, which refers to an element that obtains a desired output using only a flow of fluid without moving parts unlike a conventional hydraulic device. Due to the characteristics of the fluid element, there are no problems such as friction due to frequent movement in the driving unit, wear problems, or leakage of fluid at the connection unit. In addition, the fluid element is advantageous in that it is not affected by electromagnetic waves or temperature changes, and does not require an electro-fluid interface when converting a control signal into a mechanical signal, compared to an electronic circuit.
유체 소자로서 추진기는 압력 신호를 유량 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 소자로서, 그 모양은 도1에서 보이는 바와 같다. 도1은 유체 소자로서 추진기의 개략도이다.As a fluid element, a propeller is a device that converts a pressure signal into a flow signal, the shape of which is shown in FIG. 1 is a schematic representation of a propeller as a fluid element.
도1에 도시된 바와 같이, 추진기는 제어 입력부가 압력 공급부에 대하여 수직으로 붙어있다. 따라서 제어 입력이 없는 경우에는 압력 공급부로 공급되는 압력만이 추진기의 챔버내로 들어와서 그 내부를 채우므로 공급 압력과 거의 비슷한 압력이 최대 유량으로 출력부로 나가게된다. 그러나, 제어 입력이 공급 압력보다 높을 경우에는 도1에서 보이는 바와 같이 추진기의 챔버내에 시계 방향으로 회전하는 흐름이 형성되고 이러한 흐름은 각운동량 보전 법칙에 따라서 중심부로 흐를수록 속도가 빨라진다. 결국, 베르누이(Bernoulli) 원리에 의하여 중심부의 압력이 낮아지게 되므로 출력 방향 출력부로는 유량이 거의 흐르지 않고, 전체적인 소자의 특성은 제어 입력이 커짐에 따라서 유량이 줄어드는 관계를 갖는다. 정리하면, 유체 소자로서 추진기는 제어 입력이 클수록 낮은 추진력을 얻게 되고, 제어 입력이 작을수록 높은 추진력을 갖게된다.As shown in Fig. 1, the propeller has a control input attached perpendicularly to the pressure supply. Thus, in the absence of a control input, only the pressure supplied to the pressure supply enters the chamber of the propeller and fills the interior, so that a pressure close to the supply pressure exits the output at maximum flow rate. However, if the control input is higher than the supply pressure, as shown in Fig. 1, a clockwise flow is formed in the chamber of the propeller, and the flow becomes faster as it flows to the center portion according to the law of angular momentum conservation. As a result, the Bernoulli principle lowers the pressure in the center portion, so that the flow rate hardly flows to the output direction output, and the characteristics of the overall device have a relationship that the flow rate decreases as the control input increases. In summary, the propeller as a fluid element has a lower propulsion force as the control input is larger, and has a high propulsion force as the control input is smaller.
이와 같은 추진기는 유체 선형 증폭기와 함께 유도 무기 자세 제어용 등 군사용으로 사용되어져 왔다. 이 중에서 유체 선형 증폭기는 실리콘 마이크로머시닝 기법을 통한 미세 제조 공정으로 이미 제조되어 왔으나, 추진기의 경우 미세 제조 공정이 알려져 있지 않았기 때문에 종래의 통상적인 제조 공정에 의하면 추진기의 직경이 수 인치에 이른다. 따라서 종래에는 유체 선형 증폭기와 추진기를 함께 집적화하는 것이 불가능한 문제가 있었다.Such propellers have been used in military applications such as guided weapon attitude control with fluid linear amplifiers. Among them, the fluid linear amplifier has already been manufactured by a microfabrication process through silicon micromachining technique, but since the microfabrication process is not known in the case of the propeller, the diameter of the propeller is several inches according to a conventional manufacturing process. Therefore, in the related art, there is a problem in that it is impossible to integrate a fluid linear amplifier and a propeller together.
실리콘 마이크로머시닝 기법은, 실리콘 공정을 이용하여 시스템의 특정 부위를 마이크로미터 단위의 정교한 형상으로 실리콘 기판 상에 집적·형성함으로써 구현되며, 이는 박막(thin film)의 증착, 식각(etching) 기술, 사진묘화 기술(photolitho-graphy), 불순물 확산 및 주입 기술 등의 반도체 소자 제조 기술을 기초로 한다.Silicon micromachining techniques are implemented by integrating and forming specific parts of the system on a silicon substrate in micrometer-specific shapes using a silicon process, which involves the deposition of thin films, etching techniques, and photographs. It is based on semiconductor device fabrication techniques such as photolitho-graphy, impurity diffusion and implantation techniques.
본 발명은 이러한 실리콘 마이크로머시닝 기법을 이용하여 마이크로미터 단위로 제조된 초소형 추진기에 관한 것이다.The present invention relates to a micro propeller manufactured in micrometer units using such silicon micromachining techniques.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 실리콘 마이크로머시닝 기법에 의하여 제조된 초소형 추진기를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the conventional problems as described above, and an object of the present invention is to provide a micro propeller manufactured by a silicon micromachining technique.
본 발명의 또 다른 목적은, 실리콘 마이크로머시닝 기법에 의하여 제조되어 유체 선형 증폭기와 함께 집적화된 초소형 추진기를 제공하는 것이다.It is a further object of the present invention to provide a micro propeller manufactured by silicon micromachining techniques and integrated with a fluid linear amplifier.
도1은 유체 소자로서 추진기의 개략도,1 is a schematic diagram of a propeller as a fluid element;
도2는 본 발명에 의한 초소형 추진기의 제조 공정도,2 is a manufacturing process diagram of the ultra-small propeller according to the present invention;
도3은 도2에 도시된 공정에 의하여 제조된 본 발명에 의한 추진기의 SEM 사진,Figure 3 is a SEM photograph of the propeller according to the present invention manufactured by the process shown in Figure 2,
도4는 유체 선형 증폭기의 개략도,4 is a schematic diagram of a fluid linear amplifier,
도5는 추진기와 유체 선형 증폭기를 사용한 유도 무기 자세 제어 시스템의 구성도,5 is a configuration diagram of an induction weapon posture control system using a propeller and a fluid linear amplifier;
도6은 실리콘 마이크로머시닝 기법에 의하여 제조된 본 발명에 의한 추진기와 종래의 유체 선형 증폭기의 SEM 사진.6 is a SEM photograph of a propeller and a conventional fluid linear amplifier according to the present invention made by silicon micromachining techniques.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 실리콘 마이크로머시닝 기법에 의하여 제조된 초소형 추진기는, 실리콘 웨이퍼의 양면에 있는 실리콘옥사이드 층을 각각 패터닝하는 단계; SF6와 O2플라즈마를 이용한 RIE 방식에 의한 딥 실리콘 식각 공정에 의하여 실리콘 웨이퍼의 일면에 추진기의 챔버를 형성하고, 실리콘 웨이퍼의 타면에 추진기의 출력부를 형성하는 단계; 및 실리콘 웨이퍼의 양면의 실리콘옥사이드 층을 제거한 후, 실리콘-실리콘 퓨젼 결합에 의하여 실리콘 웨이퍼의 일면을 봉하여 추진기의 챔버를 완성하는 단계를 포함하는 실리콘 마이크로머시닝 기법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the object as described above, the ultra-small propeller produced by the silicon micromachining technique according to the present invention comprises the steps of: patterning each of the silicon oxide layer on both sides of the silicon wafer; Forming a chamber of the propeller on one surface of the silicon wafer by a deep silicon etching process using an RIE method using SF 6 and O 2 plasma, and forming an output of the propeller on the other surface of the silicon wafer; And after removing the silicon oxide layers on both sides of the silicon wafer, sealing one side of the silicon wafer by silicon-silicon fusion bonding to complete the chamber of the propeller.
또한, 본 발명에 의한 추진기는, 실리콘 마이크로머시닝 기법에 의하여 제조될 수 있는 유체 선형 증폭기와 함께 집적화될 수 있다.In addition, the propeller according to the present invention can be integrated with a fluid linear amplifier that can be manufactured by silicon micromachining techniques.
이하에서 본 발명에 의한 초소형 추진기를 상세하게 설명한다.Hereinafter, the ultra-small propeller according to the present invention will be described in detail.
먼저, 도2와 도3을 참조하면서 본 발명에 의한 실리콘 마이크로머시닝 기법에 의하여 제조된 추진기를 상세하게 설명한다.First, referring to Figures 2 and 3 will be described in detail the propeller manufactured by the silicon micromachining technique according to the present invention.
도2는 본 발명에 의한 초소형 추진기를 제조하기 위한 실리콘 마이크로머시닝 기법의 제조 공정도이다.2 is a manufacturing process diagram of a silicon micromachining technique for manufacturing a micro propeller according to the present invention.
먼저, 도2a에서 보이는 바와 같이, 앞면과 뒷면에 각각 실리콘옥사이드 층을 500㎛ 두께의 실리콘 웨이퍼에 증착한다. 이 실리콘옥사이드 층은 실리콘 식각 공정에서 마스크로서 역할을 하게 된다.First, as shown in FIG. 2A, a silicon oxide layer is deposited on a silicon wafer having a thickness of 500 μm on the front and back surfaces, respectively. This silicon oxide layer serves as a mask in the silicon etching process.
도2b와 도2c는 반응성 이온 식각(RIE, Reactive Ion Etching) 공정에 의하여 실리콘 웨이퍼의 앞면과 뒷면의 실리콘옥사이드를 식각하여 추진기의 형상을 만들기 위한 실리콘 웨이퍼의 앞면과 뒷면의 마스크 패턴을 만드는 공정이다. 더욱 구체적으로는 도2b의 실리콘 웨이퍼의 앞면에 추진기의 챔버가 패터닝되고, 도2c의 실리콘 웨이퍼의 뒷면에 출력부가 패터닝된다.2B and 2C illustrate a process of forming a mask pattern on the front and rear surfaces of a silicon wafer for etching the silicon oxide on the front and rear surfaces of the silicon wafer by a reactive ion etching (RIE) process to form a propeller. . More specifically, the chamber of the propeller is patterned on the front side of the silicon wafer of FIG. 2B, and the output is patterned on the back side of the silicon wafer of FIG. 2C.
도2d와 도2e는 추진기의 형상을 만들기 위한 실리콘 식각 공정으로서 본 발명에 의한 초소형 추진기를 제조하는 공정에서 가장 중요한 단계이다. 도2d는 추진기의 챔버를 만들기 위한 실리콘 웨이퍼의 앞면의 실리콘 식각 공정을, 도2e는 추진기의 출력부를 만들기 위한 실리콘 웨이퍼의 뒷면의 실리콘 식각 공정을 보여준다. 본 발명에서는 이 공정에서 딥 실리콘 식각을 위하여, SF6와 O2플라즈마를 이용한 RIE 방식을 이용한다. 이 방식에서는 실리콘을 수직하게 500㎛까지 식각할 수 있다. 이와 같은 딥 실리콘 식각 방식에 의하여 도2d에서 보이는 바와 같이, 추진기의 챔버는 실리콘 웨이퍼의 앞면으로부터 300㎛ 깊이로 형성되고, 도2e에서 보이는 바와 같이, 추진기의 출력부는 실리콘 웨이퍼의 뒷면으로부터 200㎛ 깊이로 형성되었다.2D and 2E are the silicon etching process for making the shape of the propeller, which is the most important step in the process of manufacturing the micro propeller according to the present invention. FIG. 2D shows a silicon etch process on the front side of the silicon wafer to make the chamber of the propeller, and FIG. 2E shows a silicon etch process on the back side of the silicon wafer to make the output of the propeller. In the present invention, for deep silicon etching in this process, the RIE method using SF 6 and O 2 plasma is used. In this way, silicon can be etched vertically to 500 μm. As shown in FIG. 2D, the chamber of the propeller is formed to have a depth of 300 μm from the front surface of the silicon wafer by the deep silicon etching method, and as shown in FIG. Was formed.
RIE 방식을 이용한 딥 실리콘 식각후에 실리콘 웨이퍼는 추진기 칩들로 다이싱되고, 다이싱된 추진기 칩들은 HF에 담그어져서 마스크로서 역할을 한 실리콘옥사이드 층이 제거된다(도2f).After deep silicon etching using the RIE method, the silicon wafer is diced into propeller chips, and the diced propeller chips are immersed in HF to remove the silicon oxide layer serving as a mask (FIG. 2F).
최종적으로, 실리콘-실리콘 퓨젼 결합에 의하여 실리콘 웨이퍼의 앞면을 봉하여 추진기의 챔버를 완성시킨다(도2g).Finally, the front surface of the silicon wafer is sealed by silicon-silicon fusion bonding to complete the chamber of the propeller (FIG. 2g).
도3은 도2에 도시된 공정에 의하여 제조된 본 발명에 의한 추진기의 SEM 사진이다.3 is a SEM photograph of the propeller according to the present invention manufactured by the process shown in FIG.
실리콘 마이크로머시닝 기법에서는 실리콘 웨이퍼의 마스크 패턴과 딥 실리콘 식각 정도를 조절함에 의하여 다양한 크기의 압력 공급부, 제어 입력부, 및 출력부를 가지는 초소형 추진기를 제조할 수 있다.In the silicon micromachining technique, a micro propeller having various sizes of pressure supplies, control inputs, and outputs can be manufactured by adjusting a mask pattern of a silicon wafer and a degree of deep silicon etching.
상기에서 설명한 바와 같이, 실리콘 마이크로머시닝 기법에 의하여 제조된 초소형 추진기는 실리콘 마이크로머시닝 기법을 통한 미세 제조 공정이 종래에 알려진 유체 선형 증폭기와 함께 집적화되어 유도 무기 자세 제어 등에 응용할 수 있는 장점이 있다.As described above, the ultra-small propeller manufactured by the silicon micromachining technique has an advantage that the microfabrication process using the silicon micromachining technique is integrated with a fluid linear amplifier known in the art, and thus may be applied to inductive weapon attitude control.
이하에서는 본 발명에 의한 초소형 추진기와 종래의 유체 선형 증폭기를 이용한 유도 무기 자세 제어 시스템을 설명한다.Hereinafter, an induction weapon posture control system using a micro propeller according to the present invention and a conventional fluid linear amplifier will be described.
도4는 유체 선형 증폭기의 개략도이다.4 is a schematic diagram of a fluid linear amplifier.
도4에 도시된 유체 선형 증폭기는 전자 회로의 연산 증폭기와 비슷한 역할을 하며, 2개의 입력단의 압력 차이를 출력단에서 증폭시켜주는 역할을 한다. 즉 유체 선형 증폭기에서는 입력 압력의 차이가 입력으로서 정의되고, 출력 압력의 차이가 출력으로서 정의되는데, 입력 압력의 차이가 출력 압력의 차이로서 증폭되며 이러한 증폭 기능은 피드백 제어를 위하여 필수적이다. 그 원리는 도4에서 보이는 바와 같이, 아래에서 위쪽 방향으로 일정한 분출이 흐르도록 하면서 분출의 양편에 있는 입력 포트에 같은 압력을 주면 2개의 출구에는 같은 압력이 걸리게 된다. 반면에 입력 포트에 압력 차이를 주면 분출의 진행 방향이 달라져서 2개의 출력단의 압력이 서로 달라지게 된다. 이러한 압력의 차이가 제어 포트의 양단간의 압력 차이보다 더 큰 값이며 그 값에 비례한다는 점을 이용하는 것이다.The fluid linear amplifier shown in FIG. 4 plays a role similar to that of an operational amplifier of an electronic circuit and amplifies the pressure difference between two input stages at an output stage. In other words, in a fluid linear amplifier, a difference in input pressure is defined as an input, and a difference in output pressure is defined as an output. The difference in input pressure is amplified as a difference in output pressure, and this amplification function is essential for feedback control. The principle is that, as shown in Fig. 4, the same pressure is applied to the input ports on both sides of the jet while a constant jet flows from the bottom to the top, so that the two outlets receive the same pressure. On the other hand, if the pressure difference is applied to the input port, the direction of ejection is changed and the pressures of the two output stages are different. This difference in pressure is greater than and proportional to the difference in pressure between the two ends of the control port.
도5는 추진기와 유체 선형 증폭기를 사용한 유도 무기 자세 제어 시스템의 구성도이다.5 is a schematic diagram of an induction weapon posture control system using a propeller and a fluid linear amplifier.
도5에 도시된 바와 같이, 유체 선형 증폭기의 출력단을 서로 다른 추진기의 제어 입력에 연결하면, 유체 선형 증폭기의 입력을 바꿈으로써 두 방향으로의 출력을 바꿀 수 있는 시스템을 만들 수 있다.As shown in Fig. 5, by connecting the outputs of the fluid linear amplifiers to the control inputs of the different propellers, it is possible to create a system that can switch the output in two directions by changing the inputs of the fluid linear amplifiers.
앞에서 설명한 바와 같이, 유체 선형 증폭기는 이미 실리콘 마이크로머시닝 기법에 의한 제조 공정이 알려져 있어서 초소형 집적화가 가능하였다. 반면에 추진기는 실리콘 마이크로머시닝 기법에 의한 제조 공정이 알려져 있지 않았으므로 유체 선형 증폭기와 추진기를 함께 집적화하는 것이 불가능하였다.As described above, the fluid linear amplifier has already been known to be fabricated by silicon micromachining techniques, thereby enabling micro-integration. On the other hand, it is impossible to integrate a fluid linear amplifier and a propeller together because the manufacturing process by the silicon micromachining technique is unknown.
그러나, 본 발명에서 실리콘 마이크로머시닝 기법에 의하여 제조된 초소형 추진기를 제공하여 유체 선형 증폭기와의 집적화가 가능하게 되었다.However, in the present invention, it is possible to provide an ultra-small propeller manufactured by a silicon micromachining technique to integrate with a fluid linear amplifier.
도6은 실리콘 마이크로머시닝 기법에 의하여 제조된 본 발명에 의한 추진기와 종래의 유체 선형 증폭기의 SEM 사진이다. 도6에서 보이는 바와 같이, 실리콘 마이크로머시닝 기법에 의하여 초소형 추진기와 유체 선형 증폭기를 함께 집적화할 수 있다.6 is an SEM photograph of a propeller and a conventional fluid linear amplifier fabricated by the present invention prepared by silicon micromachining techniques. As shown in Fig. 6, the micro-small machining and the fluid linear amplifier can be integrated together by the silicon micromachining technique.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 실리콘 마이크로머시닝 기법에 의하여 제조된 추진기를 제공하고, 이는 유체 선형 증폭기와 함께 집적화할 수 될 수 있는 장점이 있다.As described above, the present invention provides a propeller manufactured by a silicon micromachining technique, which has an advantage that can be integrated with a fluid linear amplifier.
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