KR0170160B1 - Micro valve and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 미세밸브 및 제조방법에 관한 것으로, 실리콘기판을 사용하여 다이 내에 동일한 방향을 향하는 두 개의 홈을 이루는 이온주입층의 이격거리에 의해 폭이 한정되는 개구가 각각 반대 방향을 향하여 두 개의 밸브가 한 쌍을 이루되, 상기 개구는 두 개의 십자(+)를 연결한 모양또는 대략 H자 모양을 이루는 구조로 한다. 따라서, 절연막을 제거하면 밸브 개구가 형성되므로 공정이 쉬울 뿐 아니라 대략 H자 모양의 개구를 갖는 밸브가 일자형 개구를 갖는 밸브보다 더 유연하여 밸브 개구의 개폐가 용이하다.The present invention relates to a microvalve and a manufacturing method, wherein the openings whose width is defined by the separation distance of the ion implantation layer forming two grooves facing the same direction in the die using a silicon substrate are directed in opposite directions, respectively. Is a pair, and the opening is formed by connecting two crosses (+). Alternatively, the structure has a substantially H shape. Therefore, since the valve opening is formed by removing the insulating film, the valve is not only easy but also has a valve having an approximately H-shaped opening. It is more flexible than a valve having a mold opening, so that opening and closing of the valve opening is easy.
Description
본 발명은 미세 밸브(Micro Valve) 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 실리콘을 이용하여 고정밀의 미세밸브를 제조하기 위한 미세밸브 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a microvalve and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a microvalve for manufacturing a high precision microvalve using silicon and a method of manufacturing the same.
마이크로머시닝(Micromachining) 기술을 이용한 미세 전자 기계 시스템(Micro Electro Mechanical System)의 발전은 3차원적 구조를 가진 가속도 센서, 압력 센서, 바이오 센서 등의 센서와 모터, 벨브 및 펌프 등의 구동기 개발로 이루어지고 있다. 극소형 기계장치들이 소형화되어 대량 생산될 경우 원가 절감 및 신뢰도 향상 등이 기대될 뿐만 아니라 미세 유량 조절, 세포조작 등 마이크로 시스템으로의 응용을 가능하게 한다. 최근에는 화학물 분석 시스템이나 세포 융합 시스템 등 화학 및 의학 분야로 응용 가능한 미세 펌프의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 이 미세펌프를 이루는 요소로는 미세 구동기와 미세밸브가 있으며, 이 중 미세밸브는 구동원에 따라 공압형, 정전형, 열전자형 등으로 분류된다.The development of the Micro Electro Mechanical System using Micromachining technology is made up of three-dimensional acceleration sensors, pressure sensors, biosensors and other motors, valves and pumps. ought. When miniature machinery is miniaturized and mass-produced, cost reduction and reliability improvement are expected, as well as micro flow control and cell manipulation. Recently, the development of fine pumps that can be applied to chemical and medical fields such as chemical analysis systems and cell fusion systems has been actively performed. The elements constituting the fine pump include a fine driver and a fine valve, and among these, the fine valve is classified into pneumatic, electrostatic, and thermoelectric type according to the driving source.
미세밸브는 보통 두 개 이상의 웨이퍼, 또는 한 개의 웨이퍼와 파이렉스 유리 등을 접합하여 제조되고 있으며, 특히 1991년 스웨덴 Uppsala 대학교 L.Smith등은 단일 웨이퍼를 이용한 수동형 밸브를 제작하였다.Microvalve is usually manufactured by joining two or more wafers, or one wafer and Pyrex glass. Especially, in 1991, Uppsala University Sweden, L. Smith et al. Made a manual valve using a single wafer.
상술한 종래의 수동형 미세밸브가 제1도 및 제2도에 도시되어 있다.The conventional passive microvalve described above is shown in FIGS. 1 and 2.
상기에서 제1도는 미세밸브의 평면도이고, 제2도는 제1도를 a-a 선으로 자른 단면도이다.1 is a plan view of the microvalve, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line a-a of FIG.
상기 미세밸브는 단일 실리콘기판(2)을 사용하여 단일 다이(die : 5)내에 서로 반대 방향의 개구(4)를 갖는 구조로 형성되어 있다. 상기 개구(4)는 이온 주입층(3)에 의해 형성되어 개구(4)의 폭을 한정한다. 상기 개구(4)중 하나는 입구이고, 나머지 하나는 출구가 되는데, 이 개구(4)를 통해 가스나 유량을 미세하게 제어할 수 있고 세포등과 같은 미세요소의 수를 제어 할 수 있다.The microvalve is formed using a single silicon substrate 2 in a structure having openings 4 in opposite directions in a single die 5. The opening 4 is formed by the ion implantation layer 3 to define the width of the opening 4. One of the openings 4 is an inlet, and the other is an outlet, through which the openings 4 can finely control the gas or flow rate and the number of microelements such as cells.
제3도(a) 내지 (c)는 제2도의 미세밸브의 제조공정도이다.3 (a) to 3 (c) are manufacturing process drawings of the microvalve shown in FIG.
제3도(a)를 참조하면 (100)의 결정구조를 갖는 N형의 실리콘기판(2)의 표면에 산화막(1)을 형성하고, 미세밸브를 형성할 소정 부분의 산화막(1)을 제거하여 실리콘기판(2)을 노출시킨다. 다음에는 상기 실리콘기판(2)의 노출된 부분을 EDP(Ethylene-Diamine-Pyrocathecol-Water)등과 같은 이방성 시각용액으로 식각하여 V자 홈(5)을 형성한다.Referring to FIG. 3A, an oxide film 1 is formed on the surface of an N-type silicon substrate 2 having a crystal structure of 100, and a portion of an oxide film 1 for forming a microvalve is removed. The silicon substrate 2 is exposed. Next, the exposed portion of the silicon substrate 2 is etched with an anisotropic visual solution such as EDP (Ethylene-Diamine-Pyrocathecol-Water) to form a V-shaped groove (5).
제3도(b)를 참조하면, 밸브 형성에 필요한 부분인 V자 홈(5)의 반대면에 위치한 소정 영역을 제외한 모든 산화막(1)을 제거한다. 그리고 실리콘기판(2)의 양면에 붕소 등의 P형 불순물을 고농도로 주입하여 이온주입층(3)을 형성한다.Referring to FIG. 3 (b), all oxide films 1 are removed except for a predetermined region located on the opposite surface of the V-shaped groove 5, which is a portion required for valve formation. P-type impurities such as boron are implanted at high concentration on both surfaces of the silicon substrate 2 to form the ion implantation layer 3.
제3도(c)를 참조하면, 상기 남아 있는 산화막(1)을 제거하여 실리콘기판(2)을 노출시킨다. 그리고, 실리콘과 도핑된 실리콘의 식각율의 차가 큰 선택적 식각용액으로 실리콘기판(2)을 식각한다. 이때, 실리콘기판(2)이 이온주입층(3)보다 빠른 속도로 식각되는데, 상기 V자 홈(5)의 하부에 형성된 이온주입층(3)이 식각되어 소정 폭의 구멍(4)이 형성될 때까지 식각하여 미세밸브를 완성한다.Referring to FIG. 3C, the remaining oxide film 1 is removed to expose the silicon substrate 2. Then, the silicon substrate 2 is etched with a selective etching solution having a large difference in etching rate between silicon and doped silicon. At this time, the silicon substrate 2 is etched at a faster speed than the ion implantation layer 3, and the ion implantation layer 3 formed under the V-shaped groove 5 is etched to form holes 4 having a predetermined width. Etch until complete to complete the microvalve.
그러나, 상술한 종래의 미세밸브는 실리콘기판과 이온주입층의 도핑 농도에 따라 발생하는 식각율 차를 이용하여 미세밸브의 구멍을 형성함으로써 원하는 구멍의 간격을 정확히 반복적으로 얻은 것이 어려우며, 또한 미세밸브의 구멍의 폭이 작아 미생물체 등 큰 부피를 가진 것들을 통과시키기 어려우므로 용도에 한계가 있는 문제점이 있었다.However, in the above-described conventional microvalve, it is difficult to accurately and repeatedly obtain a desired pore spacing by forming the pores of the microvalve by using the etching rate difference generated according to the doping concentration of the silicon substrate and the ion implantation layer. Since the width of the hole is small, it is difficult to pass through a large volume of things such as microorganisms, there was a problem that there is a limit to the use.
또한 미세밸브의 구멍을 형성하기 위하여 실리콘기판을 식각할 때 개폐작용을 해야 할 이온주입층도 식각되어 얇아지므로 개폐시 깨지기 쉬운 문제점이 있었다.In addition, when the silicon substrate is etched to form the hole of the fine valve, the ion implantation layer to be opened and closed is also etched and thinned, which causes a problem of being easily broken during opening and closing.
따라서 본 발명의 목적은 구멍을 이루는 이온주입층이 쉽게 깨지는 것을 방지할 수 있는 미세밸브를 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a fine valve which can prevent the ion implantation layer forming a hole from being easily broken.
본 발명의 다른 목적은 구멍의 폭을 조절하기 쉽고 폭을 정확히 반복적으로 얻을 수 있는 미세밸브의 제조방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a microvalve which can easily adjust the width of the hole and obtain the width accurately and repeatedly.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 미세밸브는 단일 실리콘기판을 사용하여 하나의 다이 내에 동일한 방향을 향하는 두 개의 홈을 이루는 이온주입층의 이격거리에 의해 폭이 정해지는 2개의 개구들에 의해 한정되는 두 개의 밸브가 한 쌍을 이루되, 상기 개구들은 두 개의 십자를 연결한 모양 대략 H자 모양을 이루도록 이온주입층이 형성된다.The microvalve according to the present invention for achieving the above object is characterized by two openings whose width is defined by the separation distance of the ion implantation layer forming two grooves facing the same direction in one die using a single silicon substrate. A pair of two valves are defined, and the ion implantation layer is formed such that the openings have an approximately H shape in which two crosses are connected.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 미세 밸브의 제조방법은 실리콘기판의 양표면에 절연막을 형성하는 제1단계; 상기 실리콘기판의 일 표면의 절연막을 선택적으로 제거하여 상기 실리콘기판의 소정부분을 노출시키는 제2단계; 상기 실리콘기판의 노출된 부분을 소정 경사각을 갖도록 식각하여 소정거리 이격된 두 개의 홈을 형성하는 제3단계; 상기 홈의 내부 표면에 고농도의 P형의 불순물을 도핑하여 이온주입층을 형성하는 제4단계; 상기 실리콘기판의 타 표면의 상기 홈과 대응하는 부분의 절연막을 선택적으로 제거하여 실리콘기판을 노출시키고, 상기 실리콘기판의 노출된 부분을 이방성 식각하는 제5단계; 및 상기 남아 있는 절연막을 제거하는 제6단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a fine valve, including: forming an insulating film on both surfaces of a silicon substrate; Selectively removing an insulating film on one surface of the silicon substrate to expose a predetermined portion of the silicon substrate; A third step of forming two grooves spaced a predetermined distance by etching the exposed portion of the silicon substrate to have a predetermined inclination angle; A fourth step of forming an ion implantation layer by doping a high concentration of P-type impurities on the inner surface of the groove; A fifth step of selectively removing an insulating film of a portion corresponding to the groove of the other surface of the silicon substrate to expose the silicon substrate, and anisotropically etching the exposed portion of the silicon substrate; And a sixth step of removing the remaining insulating film.
제1도는 종래 기술에 따른 미세밸브의 평면도.1 is a plan view of a microvalve according to the prior art.
제2도는 제1도를 a-a 선으로 자른 단면도.2 is a cross-sectional view taken along the line a-a of FIG.
제3도(a) 내지 (c)는 종래의 미세밸브 제조방법을 나타낸 제조공정도.Figure 3 (a) to (c) is a manufacturing process diagram showing a conventional fine valve manufacturing method.
제4도는 본 발명의 일실시예에 의한 미세밸브의 평면도.4 is a plan view of a microvalve according to an embodiment of the present invention.
제5도는 제4도를 b-b 선으로 자른 단면도.5 is a cross-sectional view taken along the line b-b of FIG.
제6도(a) 내지 (c)는 본 발명에 따른 미세밸브 제조공정도.Figure 6 (a) to (c) is a microvalve manufacturing process according to the present invention.
제7도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세밸브의 단면도.7 is a cross-sectional view of a microvalve according to another embodiment of the present invention.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제4도는 본 발명의 일실시예에 따른 미세밸브의 평면도이고, 제5도는 제4도를 b-b 선으로 자른 단면도이다.4 is a plan view of a microvalve according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line b-b of FIG.
상기에서, 미세 밸브는 단일 실리콘기판(12)을 사용하여 하나의 다이(die : 16)내에 서로 반대 방향의 개구(14)를 갖는 두 개의 단위 밸브(17)가 한 쌍을 이루도록 한다. 이때 다이(16)의 크기는 3000μm ×3000μm ×330μm이며, 단위밸브(17) 한 개의 크기는 1420μm ×895μm ×330μm이다. 상기에서 각각의 개구(14)는 인접하는 2개의 홈(15)을 이루는 이온주입층(13)에 의해 형성되는데, 개구(14)를 이루는 이온주입층(13)의 한 모서리들은 서로 반대 방향으로 소정각도를 갖는다. 이온주입층(13)은 실리콘기판(12)과 식각선택비가 큰 물질로 이루어지는데, 예를들면, 붕소 등의 P형 불순물이 1×1016∼1×1021cm-3의 고농도로 도핑된다. 또한, 이 각각의 개구(14)의 폭은 이온주입층(13)의 이격거리로 한정된다. 이 개구(14)의 폭은 약 25μm정도이다. 여기서, 밸브(17) 중앙의 개구(14)가 두 개의 십자( +)를 연결한 모양또는 대략 H자 모양을 이루도록 이온주입층(13)이 형성된다. 상기와 같은 미세밸브는 양측의 단위밸브(17)사이에 압력차가 발생되면 상기 양측의 단위밸브(17)중 공간 압력이 큰 쪽의 개구(14)는 열리고, 작은 쪽의 개구(14)는 닫힌다. 그러므로, 열린 개구(14)를 통해 유체 또는 미생물체를 한쪽 방향으로만 통과시켜 흐름을 결정한다.In the above, the microvalve uses a single silicon substrate 12 to make a pair of two unit valves 17 having openings 14 in opposite directions in one die 16. At this time, the size of the die 16 is 3000μm × 3000μm × 330μm, the size of one unit valve 17 is 1420μm × 895μm × 330μm. Each opening 14 is formed by an ion implantation layer 13 forming two adjacent grooves 15, one corner of the ion implantation layer 13 forming the opening 14 in opposite directions. It has a predetermined angle. The ion implantation layer 13 is made of a silicon substrate 12 and a material having a high etching selectivity. For example, P-type impurities such as boron are doped at a high concentration of 1 × 10 16 to 1 × 10 21 cm -3 . . In addition, the width of each of the openings 14 is limited to the separation distance of the ion implantation layer 13. The width of this opening 14 is about 25 μm. Here, the opening 14 in the center of the valve 17 connects the two crosses (+) Alternatively, the ion implantation layer 13 is formed to have an approximately H shape. When the pressure difference occurs between the unit valves 17 on both sides of the microvalve as described above, the opening 14 of the larger side pressure of the unit valves 17 on both sides is opened, and the opening 14 on the smaller side is closed. . Therefore, the flow is determined by passing the fluid or microorganism in only one direction through the open opening 14.
제6도(a) 내지 (c)는 본 발명에 따른 미세밸브의 제조공정도이다.6 (a) to (c) is a manufacturing process diagram of the microvalve according to the present invention.
제6도(a)를 참조하면, (100)의 결정구조를 갖는 N형의 실리콘기판(12)의 양표면에 절연막(11)을 형성한다. 상기에서 실리콘기판(12)은 비저항이 10∼200Ω cm이고 300∼350μm정도의 두께를 갖는다. 절연막(11)이 산화막 또는 질화막으로 이루어지는데, 두께는 이후 불순물을 도핑하는 공정에서 이 절연막(11)이 있는 부분의 실리콘기판(12)이 도핑되지 않을 정도로 형성된다. 즉, 절연막(11)이 산화막으로 형성된다면, 950∼1050℃의 온도에서 180∼220분 동안 산화되어야 한다.Referring to FIG. 6A, an insulating film 11 is formed on both surfaces of an N-type silicon substrate 12 having a crystal structure of (100). The silicon substrate 12 has a resistivity of 10 to 200 Ω cm and a thickness of about 300 to 350 μm. The insulating film 11 is formed of an oxide film or a nitride film, and the thickness is formed such that the silicon substrate 12 in the portion where the insulating film 11 is present is not doped in the process of doping impurities thereafter. That is, if the insulating film 11 is formed of an oxide film, it must be oxidized for 180 to 220 minutes at a temperature of 950 to 1050 캜.
제6도(b)를 참조하면, 상기 실리콘기판(12)의 일측면에 형성된 절연막(11)을 패터닝하여 이 실리콘기판(12)의 소정부분을 노출시킨다. 그리고, 상기 절연막(11)을 마스크로 이용하여 실리콘기판(12)의 노출된 부분을 이방성 식각하여 소정거리 이격된 2개의 홈(15)을 형성한다. 상기에서 2개의 홈(15)사이는 절연막(18)에 의해 간격이 한정되는데, 대략 25μm정도 이격된다. 이때, 2개의 홈(15)은 인접하는 면들이 서로 반대 방향의 소정각을 가지며, (100) 실리콘기판을 EDP와 같은 이방성 식각용액으로 식각할 경우 제3도(a) V자 홈(5)의 깊이 만큼 식각하는데 걸리는 시간보다 짧은 시간 동안 식각할 경우형태의 홈이 만들어지는데, 제6도(b)에서는 식각 시간을 150∼180분 동안, 식각 깊이를 130∼150μm로 식각하였다.Referring to FIG. 6B, an insulating film 11 formed on one side of the silicon substrate 12 is patterned to expose a predetermined portion of the silicon substrate 12. The exposed portion of the silicon substrate 12 is anisotropically etched using the insulating layer 11 as a mask to form two grooves 15 spaced apart by a predetermined distance. In the above, the distance between the two grooves 15 is limited by the insulating film 18, and is spaced about 25 μm. At this time, the two grooves 15 have a predetermined angle in opposite directions to adjacent surfaces, and (100) when etching the silicon substrate with an anisotropic etching solution such as EDP, FIG. 3 (a) V-shaped groove 5 When etching for less than the time it takes to etch by the depth of The grooves of the shape are made. In FIG. 6 (b), the etching time is 150-180 minutes and the etching depth is 130-150 μm.
제6도(c)를 참조하면, 홈(15)을 이루는 실리콘기판(12)의 표면에 붕소 등의 P형 불순물을 1×1016∼1×1021cm-3정도로 도핑하여 이온주입층(13)을 형성한다. 이온주입층(13)은 이후 공정에서 실리콘기판(12)의 홈(15)이 형성되지 않은 타측면을 식각할 때 식각저지층이 된다. 그리고, 실리콘기판(12)의 타측면에 형성된 절연막(11)을 패터닝하여 홈(15)과 대응하는 실리콘기판(12)의 타측면을 노출시킨다. 계속해서, 상기 이온주입층(13)이 노출되도록 노출된 영역의 실리콘기판(12)을 이방성 식각한다. 이때, 홈(15)사이의 이격거리를 한정하는 절연막(18)의 하부표면이 노출되도록 식각하는데, 식각용액으로는 실리콘기판(12)과 이온주입층(13)의 식각선택비가 큰 EDP(Ethylene-Diamine-Pyrocathecol-Water)등이 사용된다. 그리고, 남아 있는 절연막(11)을 제거한다. 이때, 홈(15)들 사이의 절연막(18)도 제거되어 이온주입층(13)사이에 개구(14)가 형성된다.Referring to FIG. 6C, an ion implantation layer may be doped with a P-type impurity such as boron on the surface of the silicon substrate 12 constituting the groove 15 at about 1 × 10 16 to 1 × 10 21 cm -3. 13). The ion implantation layer 13 becomes an etch stop layer when etching the other side where the groove 15 of the silicon substrate 12 is not formed in a subsequent process. Then, the insulating film 11 formed on the other side of the silicon substrate 12 is patterned to expose the other side of the silicon substrate 12 corresponding to the groove 15. Subsequently, the silicon substrate 12 in the exposed region is anisotropically etched to expose the ion implantation layer 13. At this time, the lower surface of the insulating film 18, which defines the separation distance between the grooves 15, is etched to expose the etching solution. -Diamine-Pyrocathecol-Water) is used. Then, the remaining insulating film 11 is removed. At this time, the insulating film 18 between the grooves 15 is also removed to form the opening 14 between the ion implantation layer 13.
제7도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세밸브의 단면도이다.7 is a cross-sectional view of a microvalve according to another embodiment of the present invention.
상기 미세밸브는 하나의 다이(16)내에서 두 개의 단위 밸브(17)를 이루는 개구(14)가 동일한 방향으로 형성된다. 그러므로, 상기 미세밸브는 개구(14) 유체 또는 미생물체를 동시에 한쪽방향으로만 통과한다.The microvalve has openings 14 forming two unit valves 17 in one die 16 in the same direction. Therefore, the microvalve passes through the opening 14 fluid or microorganism simultaneously in only one direction.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 미세 밸브는 밸브의 개구 간격을 결정할 수 있고, 개구가 벌어질 수 있는 폭이 크므로 미생물체 등 큰 부피의 물체를 통과시키기가 용이한 장점이 있다. 또한, 미세밸브는 산화막을 제거하면 밸브 개구가 형성되므로 이온주입층을 식각하여 틈새를 형성하는 것보다 공정이 쉬울 뿐 아니라 밸브 개구가 두 개의 십자를 연결한 모양 또는 대략 H자 모양을 이루고 있으므로 개구의 구동이 용이한 장점이 있다.As described above, the microvalve according to the present invention has an advantage in that the opening interval of the valve can be determined and the width of the opening can be widened so that it is easy to pass a large volume object such as a microorganism. In addition, since the valve opening is formed when the oxide film is removed, the microvalve is easier to process than etching the ion implantation layer to form a gap, and the valve opening is formed by connecting two crosses or an approximately H shape. There is an advantage of easy driving.
또한 개폐작용을 해야 할 부분의 박막의 두께가 일정하여 접촉할 때 쉽게 깨지지 않고, 원하는 폭의 밸브 틈새를 정확히 반복적으로 얻을 수 있는 장점이 있다.In addition, since the thickness of the thin film of the part to be opened and closed is not easily broken when contacting, there is an advantage that the valve gap of the desired width can be accurately and repeatedly obtained.
Claims (14)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019940018027A KR0170160B1 (en) | 1994-07-26 | 1994-07-26 | Micro valve and its manufacturing method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019940018027A KR0170160B1 (en) | 1994-07-26 | 1994-07-26 | Micro valve and its manufacturing method |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR0170160B1 true KR0170160B1 (en) | 1999-03-30 |
Family
ID=19388787
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1019940018027A KR0170160B1 (en) | 1994-07-26 | 1994-07-26 | Micro valve and its manufacturing method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR0170160B1 (en) |
-
1994
- 1994-07-26 KR KR1019940018027A patent/KR0170160B1/en not_active IP Right Cessation
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