KR100695756B1 - 리가 공정 및 이를 이용한 미세 구조물의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자외선 리가(UV LIGA) 공정에 관한 것으로서, 우선 실리콘 기판 상부에 산화 규소로 이루어진 절연막과 알루미늄 등의 희생층을 형성하고, 희생층을 패터닝하여 개구부를 가지는 희생층 패턴을 형성한다. 다음, 도금 기반층을 형성하고 열 처리 공정을 실시하고 그 상부에 버퍼층을 형성한다. 이때, 버퍼층은 이후에 형성되는 감광막 패턴의 응력을 흡수하며 접착력을 향상시키기 위해 TEOS(tetraethoxysilane)막을 사용하는 것이 좋다. 이어, 감광막을 도포한 후, 마스크를 이용한 사진 공정으로 자외선을 이용하여 감광막을 노광하고 현상하여 높은 형상비를 갖는 미세 구조물의 도금 틀인 감광막 패턴을 형성한다. 이때, 감광막은 자외선에 대하여 감광 특성이 우수한 에폭시 기반의 후막 감광제를 사용하여 높은 정밀도의 패턴을 형성한다. 이어, 드러난 버퍼층을 제거하고, 전해 또는 무전해 도금을 이용하여 도금 기반층의 상부에 미세 구조물의 도금층을 형성한다. 이어, 도금 틀인 감광막 패턴을 제거하고, 나머지 버퍼층을 모두 제거하고, 미세 구조물인 도금층으로 가리지 않는 도금 기반층을 제거하고, 도금 기반층을 지지하는 하부의 희생층 패턴을 모두 제거하여 기판으로부터 뜬 미세 구조물을 완성한다.
자외선 리가공정(UV LIGA), 에폭시 기반의 후막 감광제, 자외선, 형상비
Description
도 1a에서 도 1l은 본 발명에 따른 자외선 리가 공정을 적용한 제1 실시예의 미세 구조물의 제조 공정을 그 공정 순서에 따라 도시한 단면도이고,
도 2a 내지 도 2i는 본 발명에 따른 리가 공정을 적용한 제2 실시예의 금속 구조물의 제조 공정을 그 공정 순서에 따라 도시한 단면도이다.
본 발명은 미세 구조물 형성을 위한 자외선 리가 공정(UV LIGA process)에 관한 것이다.
일반적으로 리가(LIGA) 공정은 X-선을 이용한 사진 공정(X-ray lithography), 전기 도금 공정(electroforming) 및 플라스틱 사출(plastic molding) 공정 등의 세 가지 단계로 이루어진 미세한 가공 기술을 의미하며, 독일어 Lithographie, Galvanoformung 및 Abformung의 첫글자를 인용한 약자이다.
X-선을 이용한 사진 공정에서는 X선용 마스크를 이용하여 감광막(photoresist)에 X-선을 조사하고 현상하여 미세한 감광막 구조물을 제작하 는 공정이며, 전기 도금 공정은 제작된 미세한 감광막 구조물에서 감광막이 제거된 부분에 전기 도금법을 이용하여 금속물을 성장시켜 채운 후 남겨진 감광막을 제거하여 미세한 금속 구조물을 제작하는 공정이며, 사출 공정은 제작된 미세한 금속 구조물을 금형으로 이용하여 플라스틱 구조물을 사출하는 공정이다.
이러한 리가 공정의 장점은 감광막을 노광할 때, 투과성이 우수한 X-선(1~10Å 범위의 파장)을 광원으로 사용함으로써 수 μm의 폭을 유지하면서도 수백 μm의 높이를 가질 수 있는 감광막 구조물을 제작할 수 있다는 것이며, 이러한 감광막 구조물을 이용하여 도금에 의한 금속 구조물을 제작할 때 감광막 구조물과 반대 형상의 금속 구조물을 얻을 수 있으며, 이때 정밀도는 감광막 구조물과 거의 일치한다.
그러나, 광원으로 X-선을 이용하는 경우에는, X-선을 선택적으로 흡수할 수 있는 패턴을 마스크에 형성해야 하기 때문에 마스크를 제조하기가 쉽지 않아 제조 비용이 증가하게 된다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 리가 공정의 장점인 높은 형상비를 생산 단가가 저렴한 자외선 리가 공정을 통해서 구현하는데 그 과제가 있다.
이러한 본 발명에 따른 리가 공정에서는 자외선을 광원으로 이용하여 감광막 패턴을 노광한다.
이때, 감광막은 수 μm의 폭을 유지하면서도 수백 μm의 높이를 가질 수 있을 정도로 감광 특성이 우수한 에폭시 기반의 후막 감광제를 사용하는 것이 바람직하며, 에폭시 기반의 후막 감광제를 형성하기 전에 버퍼층을 형성하는 것이 바람직하다. 여기서, 버퍼층으로는 실리콘 산화막 또는 알루미늄(aluminum) 또는 티타늄(titanium)을 사용하는 것이 좋다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명에 따른 리가 공정 및 이를 이용한 미세 구조물의 제조 방법의 실시예를 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 자외선 리가 공정의 미세 구조물 제조 방법에서는 광원은 자외선을 이용하며, 마스크를 이용한 사진 공정으로 노광하고 현상하여 미세 구조물용 감광막 패턴을 형성한다. 이때, 감광막은 수 μm의 폭을 유지하면서도 수백 μm의 높이를 가질 수 있을 정도로 감광 특성이 우수한 에폭시 기반의 후막 감광제를 사용하는 것이 바람직하며, 높은 두께를 가짐으로써 에폭시 기반의 후막 감광제의 큰 응력(stress)과 약한 접착력을 보강하기 위하여 감광막을 형성하기 전에 산화 규소막으로 이루어진 버퍼층을 형성하는 것이 좋으며, 산화 규소막 대신 산화가 잘되어 친수성 성향을 가질 수 있는 물질로서 접착력을 보강할 수 있는 물질이라면 다른 물질, 예를 들어 알루미늄(aluminum) 또는 티타늄(titanium) 등을 사용할 수도 있다.
본 발명의 리가 공정을 이용한 실시예에서는, 감광막을 도금 틀로 사용하여 기판의 상부에 미세 구조물을 형성하는 공정에 대하여 구체적으로 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1a에서 도 1l은 본 발명에 따른 리가 공정을 적용한 제1 실시예의 미세 구조물의 제조 공정을 그 공정 순서에 따라 도시한 단면도로서, 기판으로부터 뜬 미세 작동기(micro actuator)를 형성하는 공정을 도시한 도면이다.
도 1a에서 보는 바와 같이, 우선, 실리콘 기판(10)의 상부에 산화 규소(SiO2)로 이루어진 절연막(20)을 형성한다. 여기서, 절연막(20)은 열산화를 통하여 형성할 수 있으며, 화학 기상 층착을 통하여 형성할 수도 있으며, 기판(10)과 기판(10)으로부터 분리된 이후의 미세 구조물(overhanging structure)과의 절연을 위해 사용된다.
이어, 도 1b에서 보는 바와 같이, 절연막(20)의 상부에 희생층(30)을 알루미늄이나 구리 등의 금속 물질 또는 다결정 규소(polysilicon)를 이용하여 형성한다. 여기서, 알루미늄을 사용하는 경우에는 기상 증착이나 스퍼터링(sputtering) 방법을 모두 사용할 수 있다. 상기와 같은 물질은 사용하는 이유는 폴리머(polymer)를 이용하는 경우보다 열에 강하기 때문에, 추후에 수반될 공정의 선택에 있어서 보다 많은 자유도를 가질 수 있다.
이어, 도 1c에서 보는 바와 같이, 마스크를 이용한 사진 식각 공정을 이용하여 패터닝하여 개구부(O)를 가지는 희생층 패턴(32)을 형성한다. 이때의 사진 식각 공정은 감광막 패턴을 식각 마스크로 이용하는 일반적인 반도체 제조 공정이며, 희생층(30)이 알루미늄으로 이루어진 경우에는 건식 식각을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 희생층 패턴(32)을 형성하기 위해 사용된 감광막 패턴은 습식 식각으로 제거하게 되는데, 희생층 패턴(32)을 형성하는 건식 식각 도중에 감광막 패턴의 표면이 경화되어 습식 식각으로 제거하기 어려울 수 있다. 따라서, 감광막 패턴의 상부를 제거하기 위해 산소(O2)를 이용한 반응성 이온 식각(reactive ion etch)을 실시한 다음, 습식 식각으로 감광막 패턴을 제거하는 것이 좋다.
이어, 도 1d에서 보는 바와 같이, 기판(10)의 상부에 이후의 도금 공정에서 기반층으로 사용될 도금 기반층(40)을 기상 증착을 이용하여 형성한다. 이때, 도금 기반층(40)은 도금 시에 좋은 표면특성을 갖는 금속 물질을 이용하는 것이 바람직하다. 단일막 또는 다층막으로 형성할 수 있으며, 다층막인 경우에 Au 또는 Cu을 포함하는 것이 바람직하며, Ti/Au를 하나의 예로 들 수 있다. 여기서, Ti는 접착력을 향상시키기 위해 사용된다. 이어, 열 처리 공정을 실시한다. 이는 기상 증착 방법을 통하여 형성된 도금 기반층(40)을 패터닝하는 공정에서 습식 식각을 이용하는 경우에 균일한 식각 속도를 유지하기 위한 것이며, 열 처리는 300-400℃ 정도의 범위에서 60분 이내로 하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 330-350℃ 정도의 범위에서 30분 정도 실시한다. 이때, 희생층 패턴(32)의 개구부(O)에서는 도금 기반층(40)이 절연막(20)과 접하게 된다.
이어, 도 1e에서 보는 바와 같이, 기판(10)의 상부에 버퍼층(50)을 형성한다. 이때, 버퍼층(50)은 이후에 형성되는 도금 틀의 미세 구조물용 감광막 패턴이 높은 두께를 가지기 때문에 큰 응력(stress)이 발생하여, 막이 떨어져 나가는 것을 방지하기 위한 것이며, 도금 기반층(40)의 상부에 직접 미세 구조물용 감광막 패턴이 형성되는 경우에 감광막 패턴의 일부가 떨어져 나가거나 감광막 패턴이 일그러지는 것을 방지하기 위한 것이다. 여기서, 버퍼층(50)의 산화 규소막으로 형성할 수도 있으며, 산화 규소막으로는 이후에 형성되는 감광막의 미세 구조물과 하부의 도금 기반층(50)에 모두 좋은 접착 특성을 가지는 TEOS(tetraethoxysilane)막을 사용하는 것이 좋다. TEOS막은 다른 규소 산화막보다 접착력이 우수할 뿐아니라 좋은 스텝 커버리지(step coverage) 특성을 가진다. 여기서, TEOS막 대신 산화가 잘되어 친수화가 가능한 금속 물질을 사용할 수 있으며, 알루미늄(aluminum) 또는 티타늄(titanium) 등을 예로 들 수 있다.
이어, 도 1f에서 보는 바와 같이, 기판(10)의 상부에 미세 구조물의 도금 틀을 형성하기 위한 감광막을 도포한 후, 마스크를 이용한 사진 공정으로 감광막을 노광하고 현상하여 미세 구조물의 도금 틀인 감광막 패턴(62)을 형성한다. 이때, 광원으로 자외선을 이용하며, 감광막은 수 μm의 폭을 유지하면서도 정밀도가 좋은 수백 μm의 높이의 감광막 패턴(62)을 형성기 위하여 자외선에 대하여 감광 특성이 우수한 에폭시 기반의 후막 감광제를 사용하는 것이 바람직하다. 여기서는, 광원으로 자외선을 이용하기 때문에 종래의 기술에서와 같이 X-선용 마스크를 제작할 필요가 없어 제조 단가를 현격하게 줄일 수 있다. 또한, 자외선을 이용하더라도 감광성이 우수한 에폭시 기반의 후막 감광제를 이용함으로써 벽면이 거의 수직하며, 우수한 정밀도를 가지는 감광막 패턴(62)을 얻을 수 있다.
이어, 도 1g에서 보는 바와 같이, 감광막 패턴(62)을 식각 마스크로 사용하여 드러난 버퍼층(50)을 식각한다. 이때, 식각은 건식 식각을 이용하는 것이 바람직하다. 여기서, 감광막 패턴(62)을 식각 마스크로 사용하기 때문에 버퍼층(50)을 식각하기 위한 마스크가 별도로 필요하지 않으며, 버퍼층(50)은 감광막 패턴(62)과 동일한 모양으로 형성된다.
한편, 앞에서 설명한 바와 같이, 감광막 패턴(62)으로 가리지 않는 버퍼층(50)을 제거하는 공정이 있어 감광막 패턴(62)을 제외한 부분에 감광막이 잔류하는 것을 방지할 수 있다.
이어, 도 1h에서 보는 바와 같이, 전해 또는 무전해 도금을 이용하여 감광막 패턴(62)으로 가리지 않는 도금 기반층(40)의 상부에 니켈 등과 같은 금속 물질로 미세 구조물인 도금층(70)을 형성한다.
이어, 도 1i에서 보는 바와 같이, 도금 틀인 감광막 패턴(62)을 제거하고 그 하부의 버퍼층(50)을 드러낸다. 이때, 반응성 이온 식각인 애싱(ashing) 공정을 이용하는 것이 바람직하다.
이어, 도 1j에서 보는 바와 같이, 도금층(70)으로 가리지 않는 나머지 버퍼층(50)을 모두 제거하여 그 하부의 도금 기반층(40)을 드러낸다. 여기서도, 나머지 버퍼층(50)을 모두 제거하는 공정이 있어 감광막이 잔류하는 것을 방지할 수 있다.
이어, 도 1k에서 보는 바와 같이, 미세 구조물인 도금층(70)으로 가리지 않는 도금 기반층(40)을 제거한다.
마지막으로, 도 1l에서 보는 바와 같이, 도금 기반층(40)을 지지하는 하부의 희생층 패턴(32)을 모두 제거하여 기판(10)으로부터 뜬 미세 구조물(70)을 완성한다.
다음은, 도면의 참조하여 미세한 금속 구조물을 제조하는 공정에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 2a 내지 도 2i는 본 발명에 따른 자외선 리가 공정을 적용한 제2 실시예의 금속 구조물의 제조 공정을 그 공정 순서에 따라 도시한 단면도로서, 미세 스템프(micro stamp)를 형성하는 공정을 도시한 도면이다.
도 2a 내지 도 2i에서 보는 바와 같이, 기판(10)의 상부에 절연막(20)을 형성하고, 도금 기반층(40)을 형성하고, 버퍼층(50)을 형성하고, 미세 금속 구조물의 도금 틀인 감광막 패턴(62)을 형성하고, 감광막 패턴(62)을 식각 마스크로 사용하여 드러난 버퍼층(50)을 식각하고, 도금 기반층(40)의 상부에 미세 금속 구조물인 도금층(70)을 형성하고, 도금 틀인 감광막 패턴(62)을 제거하고, 버퍼층(50)을 모두 제거하고, 도금층(70)으로 가리지 않는 도금 기반층(40)을 제거하는 공정은 제1 실시예와 동일하다.
하지만, 제2 실시예에서는 기판(10)으로부터 뜬 미세 구조물을 형성하는 제1 실시예와 달리 기판(10)의 상부에 직접 미세 금속 구조물을 형성하기 때문에 제1 실시예의 도 1c와 같이 개구부(O)를 가지는 희생층 패턴을 형성할 필요가 없다. 따라서, 도 2b에서 보는 바와 같이, 절연막(20)의 상부에 직접 도금 기반층(40)을 기상 증착을 이용하여 형성한다.
따라서, 본 발명에 따른 자외선 리가 공정에서는 자외선을 이용함으로써 사진 식각 공정에서 사용되는 마스크의 제조 단가를 최소화할 수 있다. 또한, 사진 공정에서 감광막을 감광 특성이 우수한 에폭시 기반의 후막 감광제를 사용함으로써 정밀한 도금 틀을 형성할 수 있다. 또한, 감광막의 하부에 응력을 완화하고 우수한 접착력을 가지는 버퍼층을 형성한 다음 도금 틀인 감광막 패턴을 형성함으로써 감광막 패턴의 손상을 방지할 수 있으며, 버퍼층을 완전히 제거하여 감광막이 잔류하는 것을 방지할 수 있다.
Claims (15)
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- 기판 상부에 절연막을 형성하는 단계,상기 절연막 상부에 희생층을 형성하는 단계,상기 희생층을 패터닝하여 개구부를 가지는 희생층 패턴을 형성하는 단계,상기 기판의 상부에 도금 기반층을 형성하는 단계,상기 도금 기반층 상부에 버퍼층을 형성하는 단계,상기 버퍼층의 상부에 감광막을 도포하는 단계,상기 감광막을 마스크를 이용한 사진 공정을 통하여 자외선으로 노광하고 현상하여 미세 구조물의 도금 틀인 감광막 패턴을 형성하는 단계,상기 감광막 패턴으로 가리지 않는 버퍼층을 식각하여 상기 도금 기반층을 드러내는 단계,상기 도금 기반층의 상부에 미세 구조물인 도금층을 형성하는 단계,상기 감광막 패턴을 제거하는 단계,상기 버퍼층을 모두 제거하는 단계,상기 도금층으로 가리지 않는 도금 기반층을 제거하는 단계,상기 도금 기반층 하부의 상기 희생층 패턴을 모두 제거하는 단계를 포함하는 미세 작동기의 제조 방법.
- 제3항에서,상기 절연막은 열산화를 통하여 형성하는 미세 작동기의 제조 방법.
- 제4항에서,상기 희생층은 알루미늄이나 구리 또는 다결정 규소(polysilicon)로 형성하는 미세 작동기의 제조 방법.
- 제5항에서,상기 희생층 패턴은 건식 식각으로 형성하는 미세 작동기의 제조 방법.
- 제6항에서,상기 희생층 패턴을 형성하기 전에 산소(O2)를 이용한 반응성 이온 식각(reactive ion etch)을 더 포함하는 미세 작동기의 제조 방법.
- 제7항에서,상기 도금 기반층은 Cu, Au, Cr, Ni, Ti의 단일막 또는 이들의 이중막으로 형성하는 미세 작동기의 제조 방법.
- 제8항에서,상기 도금 기반층 형성 단계 이후, 상기 도금 기반층을 열 처리 공정을 더 포함하는 미세 작동기의 제조 방법.
- 제9항에서,상기 열 처리 공정은 300-400℃ 정도의 범위에서 실시하는 미세 작동기의 제조 방법.
- 제10항에서,상기 열 처리 공정을 60분 이내로 실시하는 미세 작동기의 제조 방법.
- 제11항에서,상기 버퍼층은 TEOS(tetraethoxysilane)막, 알루미늄(aluminum) 또는 티타늄(titanium)으로 형성하는 미세 작동기의 제조 방법.
- 제12항에서,상기 감광막은 에폭시 기반의 후막 감광제를 사용하는 미세 작동기의 제조 방법.
- 제13항에서,상기 버퍼층은 TEOS(tetraethoxysilane)막, 알루미늄(aluminum) 또는 티타늄(titanium)으로 형성하는 미세 작동기의 제조 방법.
- 기판 상부에 절연막을 형성하는 단계,상기 절연막 상부에 도금 기반층을 형성하는 단계,상기 도금 기반층 상부에 버퍼층을 형성하는 단계,상기 버퍼층의 상부에 감광막을 도포하는 단계,상기 감광막을 마스크를 이용한 사진 공정을 통하여 자외선으로 노광하고 현상하여 미세 구조물의 도금 틀인 감광막 패턴을 형성하는 단계,상기 감광막 패턴으로 가리지 않는 버퍼층을 식각하여 상기 도금 기반층을 드러내는 단계,상기 도금 기반층의 상부에 미세 구조물인 도금층을 형성하는 단계,상기 감광막 패턴을 제거하는 단계,상기 버퍼층을 모두 제거하는 단계,상기 도금층으로 가리지 않는 도금 기반층을 제거하는 단계,를 포함하는 미세 스템프의 제조 방법.
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