KR101180372B1 - 마이크로 부품 및 금형의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 포토리소그래피 방법과 전해주조(electroforming)법을 이용하여 마이크로 금형을 제조함에 있어서 포토리소그래피 공정에 사용된 포토레지스트를 마이크로 금형에 손상을 가하지 않고 깨끗하게 제거할 수 있어, 마이크로 금형의 제조불량을 줄이고 금형을 통해 제조되는 부품의 정밀도도 향상시킬 수 있는 마이크로 금형의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 제조방법은, 사용한 포토레지스트를 고온, 고압하의 환경하에서 포토레지스트 제거용액에 침지시키는 공정을 포함한다.

Description

마이크로 부품 및 금형의 제조방법 {METHOD OF MANUFACTURING MICRO-PARTS AND MICRO-MOLD}

본 발명은 초소형 기어와 같은 마이크로 부품이나 이와 같은 부품을 제조하는데 사용되는 마이크로 금형의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 포토리소그래피 방법과 전해주조(electroforming)법을 이용하여 마이크로 부품 또는 금형을 제조함에 있어서 포토리소그래피 공정에 사용된 포토레지스트를 부품 및 금형에 손상을 가하지 않고 깨끗하게 제거할 수 있어, 마이크로 부품이나 금형의 제조불량을 줄이고 금형을 통해 제조되는 부품의 정밀도도 향상시킬 수 있는 마이크로 부품 및 금형의 제조방법에 관한 것이다.

최근 각종 전자 제품 등의 초소형화에 따라 초소형 기어와 같은 마이크로 부품에 대한 수요도 증가하고 있다.

이러한 마이크로 부품을 제조하는 방법으로, 종래 마이크로 금형을 사용하여 분말사출성형(PIM, Powder Injection Molding)으로 초소형의 금속 부품을 제조하는 방법이 알려져 있다.

이 방법에 사용되는 마이크로 금형의 경우, 일반적으로 기계 가공이나 포토리소그래피를 이용한 방법에 의해 제조될 수 있다.

이중 드릴링이나 연삭 등의 공정을 포함하는 기계가공의 경우, 가공에 많은 시간과 비용이 소요될 뿐 아니라, 10㎛ 이하의 미세가공이 요구되는 금형에는 적용하기 어려운 단점이 있다.

한편, 포토리소그래피를 이용한 방법은 도 1에 도시된 바와 같이, 기판상에 도금을 행하기 위한 시드층(seed layer)를 형성하는 단계와, 상기 시드층 상에 포토레지스트를 사용하여 금형을 제작하기 위한 포토레지스트 맨드릴을 형성하는 단계와, 형성된 맨드릴 중 전류가 통하는 시드층이 노출된 부분에 전해주조법을 통해 금속층을 형성하여 금형을 만드는 단계와, 사용 후 포토레지스트 맨드릴을 제거하는 단계를 통해 이루어진다.

이와 같이 포토리소그래피를 이용하여 마이크로 금형을 제조할 때에는 두께가 두꺼운 포토레지스트층의 형성이 필수적인데, 이를 위해 경화시 경도가 좋고 비교적 두꺼운 두께를 구현할 수 있는 Su-8로 알려진 네거티브 포토레지스트 조성물이 사용된다.

그런데, Su-8은 경화된 후에는 제거가 매우 어렵기 때문에, 마이크로 금형의 형성 후에, Su-8을 제거하는 과정에서 도 2에 나타난 바와 같이, 마이크로 금형에 손상이 발생하는 경우가 많아 생산과정에서 불량률이 높을 뿐 아니라, 제조된 금형의 치수 정밀도도 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 전해주조법으로 마이크로 부품이나 금형을 형성한 후에 사용한 Su-8과 같은 포토레지스트 맨드릴을 깨끗하게 제거할 수 있어 마이크로 부품이나 금형의 제조 불량률을 줄이고 제조한 부품과 금형의 치수 정밀도도 향상시킬 수 있는 방법을 제공하는 것을 해결하려는 과제로 한다.

상기 과제의 해결 수단으로 본 발명은, (a) 기판에 시드층을 형성하는 단계; (b) 상기 시드층 상에 포토레지스트를 도포하는 단계; (c) 노광 및 현상 공정을 통해 상기 시드층 상에 마이크로 부품 또는 금형용 포토레지스트 맨드릴을 형성하는 단계; (d) 전해주조를 통해 상기 포토레지스트 맨드릴에 상기 마이크로 부품 또는 금형 형상의 금속층을 형성하는 단계; 및 (e) 잔류한 포토레지스트를 제거하는 단계를 포함하며, 상기 (e) 단계는 80 ~ 300℃ 및 1000 ~ 1800 psi의 온도와 압력하에 포토레지스트 제거용액에 8 ~ 24 시간 침지시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 부품 및 금형의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 마이크로 부품 및 금형의 제조방법에 있어서, 상기 기판은 실리콘, 유리, 폴리머 등이 사용될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 마이크로 부품 및 금형의 제조방법에 있어서, 상기 시드층(seed layer)은 Ti 또는 Ni 또는 Cu 박막 및 이들의 다층구조로 이루어질 수 있다. 상기 부품 또는 금형에는 Ni합금이 주로 사용되는데, Ti 박막의 경우 전해주조 후에 박리가 용이하기 때문에 도금이 용이하고 박리가 어려운 합금에 유리하고, Ni 또는 Cu 박막의 경우 도금이 용이하지 않은 합금에 유리하다.

또한, 본 발명에 따른 마이크로 부품 및 금형의 제조방법에 있어서, 상기 시드층은 Ti층, Ni층 및 Ti층 또는 Ti층, Cu층 및 Ti층이 순차적으로 적층된 구조를 갖도록 할 수 있다. 이 경우, 다수의 기판에 미리 시드층을 형성해 둔 경우, 상기 시드층 상에 도금할 금속의 종류에 맞추어서, 상층의 Ti층을 제거하거나 제거하지 않고 사용할 수 있기 때문에, 공정의 편의성을 높여줄 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 마이크로 부품 및 금형의 제조방법에 있어서, 상기 포토레지스트 제거용액의 침지 후에, 잔류물을 흡입(suction) 제거하는 공정을 추가로 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 마이크로 부품 및 금형의 제조방법에 있어서, 상기 포토레지스트는 마이크로 부품 및 금형의 제조에 사용될 수 있는 것이면 어느 것이나 가능하며, 본 발명에 따른 방법은 특히 사용 후 제거가 용이하지 않은 SU-8에 적합하다.

또한, 본 발명에 따른 마이크로 부품 및 금형의 제조방법에 있어서, 상기 (e) 단계는 80 ~ 300℃에서 수행되는 것이 바람직한데, 이는 80℃ 미만에서는 포토레지스트가 완전히 제거되지 않고, 300℃를 초과할 경우에는 도금된 금속층에 변형이 발생할 수 있기 때문이다. 보다 바람직하게는 250 ~ 300℃에서 수행한다.

또한, 본 발명에 따른 마이크로 부품 및 금형의 제조방법에 있어서, 상기 (e) 단계는 1000 ~ 1800psi에서 수행되는 것이 바람직한데, 이는 1000psi 미만에서는 포토레지스트 제거 용액과 포토레지스트와의 화학반응이 낮아 포토레지스트가 완전히 제거되지 않을 수 있고, 1800psi를 초과할 경우에는 맨드릴 또는 금속층의 변형이 발생할 수 있기 때문이다. 보다 바람직하게는 1400 ~ 1600psi에서 수행한다.

또한, 본 발명에 따른 마이크로 부품 및 금형의 제조방법에 있어서, 상기 (e) 단계에서의 침지시간은 8 ~ 24 시간 범위로 수행되는 것이 바람직한데, 이는 8 시간 미만일 경우 포토레지스트가 완전히 제거되지 않을 수 있고, 24 시간을 초과하더라도 제거효과는 거의 동일하기 때문이다.

또한, 본 발명에 따른 마이크로 부품 및 금형의 제조방법에 있어서, 상기 금속층은 Ni, Ni-Fe합금, Ni-Fe-W합금 또는 Ni-W합금으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 마이크로 부품 및 금형의 제조방법에 있어서, 상기 포토레지스트 제거용액은 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone), 에틸아세테이트, PGMEA(1-methoxy-2-propyl-acetate), 부틸아세테이트, IPA(Isopropyl Alcohol), 에탄올, MEK(Methyl Ethyl Ketone), 메탄올 또는 아세톤 등이 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 부품 및 금형의 제조방법에 의하면, 포토리소그래피 공정 후에 제거하기 어려운 Su-8과 같은 포토레지스트를 부품 또는 금형에 손상을 주지 않고 깨끗하게 제거할 수 있기 때문에, 부품 또는 금형의 생산성이 증가하고 치수 정확도도 개선된다.

도 1은 포토리소그래피와 전해주조를 이용한 마이크로 금형의 제조공정도이다.
도 2는 도 1의 공정 중 포토레지스트 제거과정에서 손상된 금형의 SEM 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 금형의 제조공정도이다.
도 4a 및 4b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 금형의 제조에 사용된 평기어의 사시도와 포토리소그래피용 마스크 설계도이다.
도 5a 내지 5c는 각각 본 발명의 실시예에 따라 제조된 포토레지스트 맨드릴의 사진이다.
도 6a 내지 6c는 본 발명의 실시예에 따라 제조한 Ni 금형의 사진이다.

이하에서는 본 발명의 대표적인 실시 예를 기초로 본 발명을 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되거나 제한되지 않고 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 평기어용 마이크로 금형의 제조방법에 대한 공정도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 방법은, 크게 시드층을 형성하는 공정(100), 포토리소그래피를 이용하여 포토레지스트 맨드릴을 형성하는 공정(200), Ni 전해주조 공정(300), 기판 제거공정(400) 및 포토레지스트 맨드릴 제거공정(500)을 포함하여 이루어진다.

이중 시드층의 형성은, 전자빔증착기(E-Beam Evaporator) 또는 스퍼터링(sputtering) 장치를 이용하여 물리기상증착(Physical Vapor Deposition, PVD)법으로 행하였는데, 본 발명의 PVD법을 통해 실리콘 기판상에 1000Å의 Ti, 2500Å 두께의 Ni 또는 Cu박막, 500Å의 Ti을 형성한 다층 구조의 시드층을 형성하였다. 이는, 실리콘 기판상에 순차적으로 Ti층, Ni 또는 Cu층 및 Ti층을 형성한 다층 구조로 할 경우, 상층에 형성할 물질의 조성에 맞추어 그대로 사용하거나 최상층의 Ti층을 화학연마제거한 후, Ni 또는 Cu층으로 사용할 수 있어 편리하기 때문이다. 또한, 본 발명의 실시예에서는 시드층 상에 도금할 금속의 성분이 Ni임을 고려하여 시드층과 시드층 상에 형성되는 도금층 사이에 발생하는 잔류응력에 의한 도금불량을 막기 위하여 Ni 박막을 형성하였으나, 잔류응력이 낮은 경우에는 Ti로 시드층을 형성하는 것이 형성된 금형을 기판으로부터 박리할 때 유리하다.

상기와 같은 과정을 통해 시드층이 형성되면, 시드층 상에 제조하고자 하는 마이크로 금형의 포토레지스트 맨드릴을 형성한다. 본 발명의 실시예에서는 도 4a에 도시된 바와 같은 형상을 갖는 평기어 제조용 마이크로 금형을 제조하였는데, 포토레지스트 맨드릴은 CAD 작업을 거쳐 각각의 단위 맨드릴이 6㎜×6㎜의 셀을 이루도록 UV 리소그래피 금속 마스크 필름의 패턴을 도 4b와 같이 설계한 후, 이 마스크 필름을 사용하여 포토레지스트 맨드릴을 형성하였다. 구체적으로, Ni 시드층이 형성된 실리콘 박막 상에, SU-8 포토레지스트 조성물을 스핀-코터를 이용하여 구조물의 요구현상에 맞는 약 100㎛ ~ 1㎜의 두께로 코팅하고, 105℃에서 8 ~ 10시간 베이킹한 후, 상기 금속 마스크 필름을 사용하여 노광하였고, 노광 후 105℃에서 20분간 노광후 베이킹을 하고, 디벨럽핑 공정을 통해 도 5a 내지 도 5c에 보여진 바와 같이, 중앙에 설계된 기어의 형상이 깨끗하게 구현되고 그 둘레로 사각형으로 시드층이 노출된 포토레지스트 맨드릴을 완성하였다.

이어서, 도 5a 내지 도 5c와 같이 완성된 포토레지스트 맨드릴을 사용하여 Ni 전해주조 (electroforming)를 행하였다. 전해주조는 전류밀도: 0.5 ~ 6ASD (직류 또는 펄스전류), 반응 온도 : 35 ~ 45℃, 반응 시간 : 36 ~ 72시간의 조건으로 하여, 도 5a에서 포토레지스트가 제거된 부분에 두께 900㎛의 Ni 금형을 형성하였다.

마지막으로, Ni 몰드를 실리콘 기판으로부터 제거해 낸 후, 잔류하는 SU-8을 제거하였다. 구체적으로, 실리콘 기판을 실리콘-카바이드(SiC paper)를 이용하여 1 ~ 10㎛ 두께의 실리콘 기판이 될 때까지 기계 연마를(mechanical polishing) 실시한 후 1mol/L 의 수산화칼륨(Potassium hydroxide) 수용액에서 80 ~ 100℃, 1 ~ 30분 동안 유지시켜 실리콘 기판을 완전히 제거한다. 그리고 기판을 제거한 Ni 몰드를 NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) 100ml와 함께 도가니에 넣은 후, 이 도가니를 오토클레이브(autoclave)에 넣은 후, 상온에서 300℃까지 90분간 승온시켰다. 이후, 300℃에서 1000 ~ 1800psi의 압력조건 하에서 8 ~ 12시간 유지시킨 후, 오토클레이브 내에서 서냉시켰다. 그리고 도가니로부터 Ni 몰드를 취출하여 초음파세척기에 넣고 50℃에서 30 ~ 90분간 세척한 후 건조하였다.

한편 매우 복잡한 형상의 금형을 제조하는 경우, 예를 들어 맨드릴의 중앙에 위치하는 포토레지스트는 상기 NMP와 반응면적이 작고 금형과의 마찰력도 크기 때문에 상기한 과정을 통해서도 일부 잔류할 수 있는데, 이러한 경우에는 초음파세척기에서 취출하는대로 흡입관 입구가 소프트한 재질의 흡입(suction) 장비를 이용하여 흡입하면 금형의 내부에 잔류하는 포토레지스트를 금형에 손상을 가하지 않고 제거할 수 있다.

도 6a 내지 6c는 본 발명의 실시예에 따라 제조한 Ni 금형의 사진이다. 이들 사진에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 방법을 통해, 평기어용 Ni 금형을 손상 없이 정확한 치수로 제조할 수 있었다.

Claims (10)

1. (a) 실리콘 기판에 Ti층, Ni 또는 Cu층 및 Ti층이 순차적으로 적층된 다층구조의 금속 시드층을 형성하는 단계;
   (b) 상기 금속 시드층 상에 SU-8 포토레지스트를 200㎛ 이상의 두께로 도포하는 단계;
   (c) 노광 공정 및 현상 공정을 통해 상기 금속 시드층 상에 마이크로 부품 또는 금형용 SU-8 포토레지스트 맨드릴을 형성하는 단계;
   (d) 전주도금(electroforming)을 통해 상기 SU-8 포토레지스트 맨드릴에 상기 마이크로 부품 또는 금형의 금속층을 형성하는 단계; 및
   (e) 잔류한 SU-8 포토레지스트를 250 ~ 300℃ 및 1000~1800 psi의 온도와 압력하에 SU-8 포토레지스트 제거용액에 8 ~ 24 시간 침지시키는 공정과, 잔류 물질을 제거하는 공정으로 이루어지는 상기 SU-8 포토레지스트 제거단계를 포함하고,
   상기 SU-8 포토레지스트 제거용액은 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone), 에틸아세테이트, PGMEA(1-methoxy-2-propyl-acetate), 부틸아세테이트, IPA(Isopropyl Alcohol), 에탄올, MEK(Methyl Ethyl Ketone), 메탄올 또는 아세톤으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 부품 및 금형의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 SU-8 포토레지스트 제거공정은 흡입(suction) 제거하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 부품 및 금형의 제조방법.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 금속층은 Ni-Fe합금, Ni-Fe-W합금 또는 Ni-W합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 부품 및 금형의 제조방법.
   
9. 삭제
10. 삭제

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