KR101355434B1 - 미세 홀이 배열된 폴리머 멤브레인을 포함하는 플라스틱 챔버 플레이트의 제작 방법 - Google Patents

미세 홀이 배열된 폴리머 멤브레인을 포함하는 플라스틱 챔버 플레이트의 제작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미세 홀이 배열된 폴리머 멤브레인을 포함하는 플라스틱 챔버 플레이트의 제작 방법에 관한 것으로, 그 목적은 단순한 공정으로 미세 홀이 배열된 멤브레인의 제작이 가능하고, 멤브레인의 제작과 플라스틱 챔버 플레이트와의 접착을 함께 진행하도록 함으로써 생산성은 높이고 불량률은 낮출 수 있는 미세 홀이 배열된 폴리머 멤브레인을 포함하는 플라스틱 챔버 플레이트의 제작 방법을 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명의 미세 홀이 배열된 멤브레인을 포함하는 플라스틱 챔버 플레이트의 제작 방법은 웨이퍼의 상부에 폴리머를 코팅하여 희생층을 형성하는 단계(S110); 상기 희생층의 상부에 포토레지스트를 코팅하여 포토레지스트층을 형성하는 단계(S120); 상기 S120 단계를 통해 형성된 포토레지스트층의 상부에 미세 홀이 형성된 마스크를 배치하고, 배치된 마스크의 상부에서 자외선을 조사하는 단계(S130); 상기 S130 단계 후, 현상액을 이용하여 자외선이 조사된 부분을 제거하고, 열을 가하여 건조 및 경화시킴으로써 미세 홀이 배열된 멤브레인을 제작하는 단계(S140); 상기 S140 단계 후, 제작된 멤브레인의 상부에 플라스틱 챔버 플레이트를 접착하는 단계(S150); 및 상기 S150 단계 후, 용매를 이용하여 상기 희생층을 제거함으로써 멤브레인과 웨이퍼를 분리하는 단계(S160)로 이루어져 있다.

Description

미세 홀이 배열된 폴리머 멤브레인을 포함하는 플라스틱 챔버 플레이트의 제작 방법{Manufacturing method for plastic chamber plate with ordered porous polymer membrane}
본 발명은 미세 홀이 배열된 폴리머 멤브레인을 포함하는 플라스틱 챔버 플레이트의 제작 방법에 관한 것으로, 특히 희생층 위에 포토레지스트를 적층하고 사진식각 공정으로 미세 홀을 패터닝한 뒤, 그 상태에서 플라스틱 챔버 플레이트를 본딩하고 희생층을 제거하는 방식으로 이루어져 전체 공정의 단순화가 가능하고, 매우 얇은 멤브레인을 안전하고 빠르게 플라스틱 챔버 플레이트에 접착할 수 있는 미세 홀이 배열된 폴리머 멤브레인을 포함하는 플라스틱 챔버 플레이트 제작 방법에 관한 것이다.
일반적으로 직경이 수 마이크로 이하인 미세 홀이 배열된 멤브레인을 포함하는 플라스틱 챔버 플레이트는 세포를 배양 또는 분리하기 위한 장치로 사용되거나, 이물질의 여과를 위한 필터로 활용될 수 있다.
상기와 같은 플라스틱 챔버 플레이트에 적용되는 멤브레인은 수백 나노에서 수십 마이크로의 두께를 갖는 매우 얇은 막으로, 이러한 멤브레인에 직경이 수 마이크로 이하인 미세 홀을 가공하는 방법으로는 물리적인 펀칭 방법, 화학적인 몰딩 및 에칭 방법, 화학적인 사진식각 및 에칭 방법이 사용되고 있다.
도 1은 물리적인 펀칭 방법에 의하여 미세 홀이 형성된 멤브레인을 제작하는 과정을 나타낸 공정도를 도시하고 있다.
종래의 물리적인 펀칭 방법의 경우, (a) 기질판(Substrate plate,10) 상에 폴리머(11)를 적층, (b) 폴리머를 유리전이온도 이상으로 가열한 후 몰드 인서트(12)를 이용하여 폴리머층을 가압, (c) 몰드 인서트를 제거하여 폴리머 메트릭스(11`) 형성, (d) 폴리머 메트랙스(11`)에 폴리머 필름(13) 적층, (e) 몰드 인서트(12)를 이용하여 폴리머 필름(13) 가압, (f) 몰드 인서트(12) 제거, (g) 미세 홀이 형성된 폴리머 필름 취출의 공정으로 이루어져 있다.
상기와 같은 종래의 물리적인 펀칭 방법은 몰드 인서트의 제작을 위하여 반도체공정과 전주도금공정이 요구되므로 시간과 비용이 많이 소요되고, 몰드 인서트를 이용하여 폴리머 필름을 가압하는 과정에서 폴리머 필름을 찢어지거나 버(Burr)가 심해져 제품의 품질이 떨어지며, 다이에 남은 찌꺼기(Remaining material)를 제거해주는 추가적인 공정을 필요로 하는 단점을 갖고 있으며, 특히 미세홀의 크기와 멤브레인 두께를 작게 하는데 있어서 기술적인 한계로 인하여 제한이 따르는 단점이 있다.
도 2는 화학적 몰딩 및 에칭 방법에 의하여 미세 홀이 형성된 멤브레인을 제작하는 과정을 나타낸 공정도를 도시하고 있다.
종래 화학적 몰딩 및 에칭 방법의 경우, (a) 순도 99.99% 이상의 알루미늄 기판에 전기화학적으로 산화시키는 AAO(Anodic Aluminum Oxide) 공정, (b) 전주도금을 위한 전도층(Seed layer,21)을 형성, (c) 니켈 전주도금, (d) 전주도금된 니켈 몰드(22) 분리, (e) 니켈 몰드(22)에 UV 경화수지 충전, (f) PMMA(23)와 유리판(24)을 이용하여 UV 경화수지의 상단부를 막고 자외선을 조사하여 UV 경화 수지를 경화, (g) 니켈 몰드(22) 분리, (h) 경화된 수지 분리의 공정으로 이루어져 있다.
상기와 같은 종래의 화학적 몰딩 및 에칭 방법은 AAO 공정에 많은 시간과 공정수가 요구되며, 나노 구멍의 크기와 간격을 다양하게 변화시키는데 한계가 있어 다양한 제품에 적용이 어려운 단점이 있다.
도 3은 화학적인 사진식각 및 에칭 방법에 의하여 미세 홀이 형성된 멤브레인을 제작하는 과정을 나타낸 공정도를 도시하고 있다.
종래 화학적인 사진식각 및 에칭 방법의 경우, (a) 웨이퍼(31)의 앞·뒷면에 LSN(Low Stress Nitride,32,33) 적층, (b) 앞면에 PR(Photo Resist,34) 코팅, (c) 마스크(35)를 배치하고 자외선 조사, (d) PR(34) 현상(development), (e) PR(34)을 마스크로 하여 LSN(32)을 건식 식각, (f) PR 제거, (g) 뒷면에 PR(36) 코팅, (h) 마스크(37)를 배치하고 자외선 조사, (i) PR(36) 현상, (j) PR(36)을 마스크로 하여 LSN(33) 건식 식각, (k) PR 제거 후 웨이퍼를 KOH 용액에 담가 에칭하는 공정으로 이루어져 있다.
이러한 종래의 화학적인 사진식각 및 에칭 방법은 전체 공정시간이 약 20시간 정도 소요되므로 생산성이 떨어지고, 공정 중에 잔류응력이 심하여 최종 공정 후 멤브레인이 잘 찢어지는 문제점을 갖고 있다.
상기와 같은 방법들에 의해 제작되는 멤브레인은 수백 나노에서 수십 마이크로의 두께를 갖는 매우 얇은 막으로 취급이 용이하지 못하며, 특히 플라스틱 챔버 플레이트와 접착이 용이하지 못하여 불량률이 높은 문제점을 갖고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 단순한 공정으로 미세 홀이 배열된 멤브레인의 제작이 가능하고, 멤브레인의 제작과 플라스틱 챔버 플레이트와의 접착을 함께 진행하도록 함으로써 생산성은 높이고 불량률은 낮출 수 있는 미세 홀이 배열된 폴리머 멤브레인을 포함하는 플라스틱 챔버 플레이트의 제작 방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 미세 홀이 배열된 폴리머 멤브레인을 포함하는 플라스틱 챔버 플레이트의 제작 방법은 웨이퍼의 상부에 폴리머를 코팅하여 희생층을 형성하는 단계(S110); 상기 희생층의 상부에 포토레지스트를 코팅하여 포토레지스트층을 형성하는 단계(S120); 상기 S120 단계를 통해 형성된 포토레지스트층의 상부에 미세 홀이 형성된 마스크를 배치하고, 배치된 마스크의 상부에서 자외선을 조사하는 단계(S130); 상기 S130 단계 후, 현상액을 이용하여 자외선이 조사된 부분을 제거하고, 열을 가하여 건조 및 경화시킴으로써 미세 홀이 배열된 멤브레인을 제작하는 단계(S140); 상기 S140 단계 후, 제작된 멤브레인의 상부에 플라스틱 챔버 플레이트를 접착하는 단계(S150); 및 상기 S150 단계 후, 용매를 이용하여 상기 희생층을 제거함으로써 멤브레인과 웨이퍼를 분리하는 단계(S160)로 이루어진 것을 특징으로 한다.
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상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 의하면, 미세 홀이 배열된 멤브레인을 포함하는 플라스틱 챔버 플레이트를 제작함에 있어서, 희생층 위에 포토레지스트층을 형성하고, 사진식각(Photolithograpy) 공정으로 미세 홀을 패터닝한 후, 그 상태에서 플라스틱 챔버 플레이트를 본딩하고 희생층을 제거하는 방식으로 이루어져 전체 공정이 단순화되어 생산성을 높일 수 있고, 매우 얇은 멤브레인을 빠르고 안정되게 플라스틱 챔버 플레이트에 접착할 수 있으므로 불량률을 낮춤과 더불어 품질을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한 희생층을 형성하는 폴리머로 PMMA를 이용하고, 이 희생층을 제거하기 위한 용매로 아세톤을 이용함으로써 습식 에칭(Wet etching)으로 인해 야기되는 환경오염을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한 포토레지스트로써 감광성 폴리이미드를 사용함으로써, 세포의 배양이나 분리를 위한 생물의학 기기로 사용이 가능한 플라스틱 챔버 플레이트를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 물리적인 펀칭 방법에 의하여 미세 홀이 형성된 멤브레인을 제작하는 과정을 나타낸 공정도,
도 2 는 화학적 몰딩 및 에칭 방법에 의하여 미세 홀이 형성된 멤브레인을 제작하는 과정을 나타낸 공정도,
도 3 은 화학적인 사진식각 및 에칭 방법에 의하여 미세 홀이 형성된 멤브레인을 제작하는 과정을 나타낸 공정도,
도 4 는 본 발명에 따른 플라스틱 챔버 플레이트를 제작하는 공정순서를 보인 공정도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면과 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 4는 본 발명에 따른 플라스틱 챔버 플레이트를 제작하는 공정순서를 보인 공정도를 도시하고 있다.
본 발명에 따른 미세 홀이 배열된 멤브레인을 포함하는 플라스틱 챔버 플레이트의 제작 방법은 사진식각(Photolithograpy) 공정을 이용하여 미세 홀이 배열된 멤브레인을 제작한 직후, 플라스틱 챔버 플레이트를 멤브레인에 접착하고, 멤브레인의 제작을 돕기 위하여 형성한 희생층을 제거하는 방식으로 요구되는 플라스틱 챔버 플레이트를 제작할 수 있도록 함으로써, 전체 공정을 단순화하고, 매우 얇은 구조의 멤브레인을 플라스틱 챔버 플레이트에 빠르고 안정적으로 접착할 수 있도록 한 특징을 갖고 있다.
위와 같은 특징을 구현하기 위한 본 발명에 따른 미세 홀이 배열된 멤브레인을 포함하는 플라스틱 챔버 플레이트의 제작 방법은 웨이퍼(110)의 상부에 폴리머를 코팅하여 희생층(120)을 형성하는 단계(S110); 상기 희생층(120)의 상부에 포토레지스트를 코팅하여 포토레지스트층(130)을 형성하는 단계(S120); 상기 S120 단계를 통해 형성된 포토레지스트층(130)의 상부에 미세 홀이 형성된 마스크(140)를 배치하고, 배치된 마스크(140)의 상부에서 자외선을 조사하는 단계(S130); 상기 S130 단계 후, 현상액을 이용하여 자외선이 조사된 부분을 제거하고, 열을 가하여 건조 및 경화시킴으로써 미세 홀이 배열된 멤브레인(130`)을 제작하는 단계(S140); 상기 S140 단계 후, 제작된 멤브레인(130`)의 상부에 플라스틱 챔버 플레이트(150)를 접착하는 단계(S150); 및 상기 S150 단계 후, 용매를 이용하여 상기 희생층(120)을 제거함으로써 멤브레인(130`)과 웨이퍼(110)를 분리하는 단계(S160)로 이루어져 있다.
상기 S110 단계는 웨이퍼(110)의 상부에 희생층(120)을 형성하는 단계로써, 웨이퍼(110)의 상부에 폴리머를 코팅함으로써 희생층(120)을 형성하게 되며, 바람직하게는 PMMA(Polymethly Methacrylate)를 스핀코팅(Spin coating)하여 웨이퍼(110)의 상부에 희생층(120)을 형성하게 된다.
참고로 웨이퍼(110)에 희생층(120)을 형성하여 미세구조물을 부유시키는 방법은 MEMS(micro electro mechanical systems)에서 일반적으로 사용되고 있는 방법이지만, 종래에는 희생층(120)을 형성을 위하여 주로 SiO2를 사용하고 있으나, 이처럼 SiO2를 사용하는 경우 시간과 비용이 많이 소요될 뿐만 아니라, 희생층(120)을 제거하기 위한 용매로 독성이 강한 HF, BHF, HNO3를 주로 사용함에 따라 환경오염을 심화시키는 문제점이 있다.
이에 본 발명은 희생층(120)을 형성하기 위한 소재로 스핀코팅에 의하여 희생층을 쉽고 빠르게 형성할 수 있으며, 아세톤을 이용하여 손쉽게 제거할 수 있는 PMMA를 희생층의 소재로 사용함으로써 생산성을 높이면서 환경오염을 줄일 수 있도록 한 특징을 갖고 있다.
상기 S120 단계는 사진식각 공정을 이용하여 미세 홀이 배열된 멤브레인을 제작하기 위한 포토레지스트층(130)을 희생층(120)의 위에 형성하는 단계로써, 희생층(120)의 상부에 포토레지스트를 코팅하여 포토레지스트층(130)을 형성하게 되며, 바람직하게는 감광성 폴리이미드를 스핀코팅하여 희생층(120)의 상부에 포토레지스트층(130)을 형성하게 된다.
상기 감광성 폴리이미드는 생체 적합성(biocompatibility)이 우수하여 생물 의학 기기 중 생체 이식 장치의 회로기판에 적용되고 있으며, 이러한 감광성 폴리이미드를 이용하여 멤브레인을 제작함으로써, 본 발명에 따라 제작된 플라스틱 챔버 플레이트(150)를 세포 배양이나 분리를 위한 장치로 활용할 수 있게 된다.
상기 S130 단계는 포토레지스트층(130)의 상부에 미세 홀이 형성된 마스크(140)를 배치하고, 배치된 마스크의 상부에서 자외선을 조사하게 되며, 이때 마스크(140)에 형성된 미세 홀에 대응하는 포토레지스트층(130)의 영역이 자외선과 반응하여 가용성 물질로 변화된다.
상기 S140 단계는 S130 단계를 통해 가용성 물질로 변화된 부분을 현상액을 이용하여 제거함으로써 포토레지스트층(130)에 미세 홀을 형성하는 단계이다. 이때 현상액으로는 알칼리 수용액이 사용될 수 있다.
이처럼 현상액을 이용하여 자외선이 조사된 부분을 제거하고 난 후, 핫플레이트 또는 오븐에서 열을 가하여 건조 및 경화시키게 되며, 이로써 미세 홀(131)이 배열된 멤브레인(130`)이 제작된다.
상기 S150 단계는 제작된 멤브레인(130`)의 상부에 플라스틱 챔버 플레이트(150)를 배치하고, 멤브레인과 플라스틱 챔버 플레이트(150)를 접착하는 단계이다.
한편 멤브레인(130`)과 플라스틱 챔버 플레이트(150)의 접착은 열·가압 방식 또는 UV 접착 방식을 통한 방법으로 이루어질 수 있다.
참고로 상기 플라스틱 챔버 플레이트(150)는 하나 이상의 구멍이 타공된 판으로, 이러한 구조의 플라스틱 챔버 플레이트(150)로는 조직학(Tissue engineering)에서 널리 쓰이는 웰 플레이트(Well plate)가 있으며, 이외 필터유닛에서 여과망을 지지하기 위한 타공판 등 다양한 용도의 타공판이 플라스틱 챔버 플레이트로 사용될 수 있다.
상기 S160 단계는 멤브레인(130`)과 플라스틱 챔버 플레이트(150)의 접착이 완료된 후, 희생층(120)을 제거함으로써 멤브레인(130`)과 플라스틱 챔버 플레이트(150)를 웨이퍼(110)로부터 분리하는 단계로써, 용매를 이용하여 희생층(120)을 제거하게 된다.
이처럼 희생층(120)을 제거하여 웨이퍼(110)를 분리함으로써, 미세 홀이 배열된 멤브레인(130`)을 포함하는 플라스틱 챔버 플레이트(150)의 제작을 완료하게 된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 미세 홀이 배열된 멤브레인을 포함하는 플라스틱 챔버 플레이트의 제작 방법은 웨이퍼(110) 상에 희생층(120)을 형성하여 포토레지스트층(130)을 웨이퍼(110)로 부유시킨 상태에서 사진식각 공정을 통해 미세 홀을 포토레지스트층(130)에 패터닝하여 미세 홀이 배열된 멤브레인(130`)을 제작하고, 바로 플라스틱 챔버 플레이트(150)와 멤브레인(130`)의 접착을 실시함으로써, 매우 얇은 구조의 멤브레인(130`)과 플라스틱 챔버 플레이트(150)의 접착 작업을 빠르고 안정적으로 실시할 수 있는 이점이 있다.
즉 사진식각 공정을 통해 멤브레인을 제작하고 난 직후 플라스틱 챔버 플레이트(150)와의 접착 작업을 실시하게 되면, 멤브레인(130`)이 희생층(120) 및 웨이퍼(110)에 의해 지지된 상태를 유지하게 되므로 멤브레인(130`)의 취급이 용이하게 되고, 이에 따라 플라스틱 챔버 플레이트(150)와의 접착 작업을 쉽고 빠르게 실시할 수 있는 이점이 있다.
또한 미세 홀이 배열된 멤브레인(130`)을 MEMS에서 주로 사용되는 사진식각 공정을 이용하여 제작토록 함으로써 전체 공정을 단순화하여 생산성을 높일 수 있는 이점이 있다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
(110) : 웨이퍼 (120) : 희생층
(130) : 포토레지스트층 (130`) : 멤브레인
(140) : 마스크 (150) : 플라스틱 챔버 플레이트

Claims (3)

  1. 웨이퍼(110)의 상부에 폴리머를 코팅하여 희생층(120)을 형성하는 단계(S110);
    상기 희생층(120)의 상부에 포토레지스트를 코팅하여 포토레지스트층(130)을 형성하는 단계(S120);
    상기 S120 단계를 통해 형성된 포토레지스트층(130)의 상부에 미세 홀이 형성된 마스크(140)를 배치하고, 배치된 마스크(140)의 상부에서 자외선을 조사하는 단계(S130);
    상기 S130 단계 후, 현상액을 이용하여 자외선이 조사된 부분을 제거하고, 열을 가하여 건조 및 경화시킴으로써 미세 홀이 배열된 멤브레인(130`)을 제작하는 단계(S140);
    상기 S140 단계 후, 제작된 멤브레인(130`)의 상부에 플라스틱 챔버 플레이트(150)를 접착하는 단계(S150); 및
    상기 S150 단계 후, 용매를 이용하여 상기 희생층(120)을 제거함으로써 멤브레인(130`)과 웨이퍼(110)를 분리하는 단계(S160)로 이루어진 것을 특징으로 하는 미세 홀이 배열된 폴리머 멤브레인을 포함하는 플라스틱 챔버 플레이트의 제작 방법.
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