KR20020006735A - 미세 디바이스의 표면처리물질 및 표면처리방법 - Google Patents

미세 디바이스의 표면처리물질 및 표면처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유기실란 또는 유기유황 피흡수질을 알콜, 아세트산, 톨루엔 및 헥산으로 구성된 그룹에서 선택된 한 용매에 대하여 0.01-2질량%의 비로 혼합함으로써 제조되고, 미세 디바이스 부재의 표면에 결합하면서 분자들간 결합에 의해 자체구성되어 단일층의 박막을 형성하면서 미세 디바이스 부재의 표면을 개질하는 것을 특징으로 하는 미세 디바이스의 표면처리물질 및, 유기실란 또는 유기유황 피흡수질을 알콜, 아세트산, 톨루엔 및 헥산으로 구성된 그룹에서 선택된 하나의 용매에 대하여 0.01-2질량%의 비로 혼합하여 표면처리물질을 제조하는 단계와; 제조된 표면처리물질을 유로를 통해 미세 디바이스 부재에 공급하는 단계와; 공급된 표면처리물질이 디바이스부재의 표면에 결합하면서 분자들간 결합에 의해 자체구성되어 단일층의 박막을 형성하는 단계를 포함하여 구성됨으로써 미세 디바이스 부재의 표면을 개질하는 것을 특징으로 하는 미세 디바이스의 표면처리방법에 관한 것으로, 표면처리물질들이 디바이스부재의 표면에 화학반응에 의해 결함하여 자체적으로 구성됨으로써 균일하고 얇고 평탄하며 미세구멍이 없는 표면을 얻을 수 있고, 공정비가 감소되고 공정시간이 단축되어 공정의 간결성을 보장할 수 있는 효과가 있다.

Description

미세 디바이스의 표면처리물질 및 표면처리방법{Surface treating material and surface treating method of micro-device}
본 발명은 표면처리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미세 디바이스에서 유체와 접촉하는 표면을 처리하는 방법에 관한 것이다.
유로를 포함하는 각종 미세 디바이스에서 유체가 이동하면서 유체에 의해 유로의 표면이 오염되거나, 유로를 구성하는 물질 자체의 표면성질 때문에 유로 내에유체의 충진이 어려워지거나, 먼지 등의 불순물이 유로에 들어가 유로가 막히는 현상 등이 발생한다.
예를 들어 압력 센서의 경우, 유로의 재료로 친수성인 실리콘웨이퍼 등을 많이 사용하므로 유로의 표면이 친수성을 띠게 된다. 이와 같은 친수성을 가진 표면은 공기 중의 유기물이나 통과하는 유체에 쉽게 오염된다. 이러한 경우 내부표면을 처리하여 내부표면의 성질을 소수성으로 변화시킴으로써 유로가 오염되거나 막히는 현상을 개선시켜서 사용한다.
또 다른 예로서 잉크젯 프린터 헤드의 경우, 잉크충진 및 기포혼입으로 인하여 헤드의 성능이 저하되는 것을 방지하기 위하여 잉크젯 프린터 헤드의 내부표면을 친수성으로 전환시키는 것이 필요하다.
이와 같이 미세 디바이스에서 유체와 접촉하는 표면은 접촉하는 유체의 성질 및 원하는 표면특성에 따라 표면을 개질하는 표면처리를 행하며, 표면처리방법으로는 습식방법과 건식방법이 있다.
습식방법 중 대표적인 방법은 원하는 표면특성에 따라 유기물 또는 무기물을 각 부품의 표면에 스핀코팅 또는 딥코팅을 하는 방법이다.
이러한 습식방법에 의해 표면처리를 하는 경우 코팅되는 막의 두께가 두꺼워지므로 두께 1㎛ 이내의 초박막을 성형하기 어렵다. 따라서 MEMS 디바이스와 같이 유로구조가 수 ㎛에 불과한 경우에는 적용하기 어렵다. 또한 처리된 표면의 거칠기를 조절하는 것이 어려워 표면을 평탄하게 형성하는 것이 어려우며, 표면에 미세한 구멍이 형성되기도 한다.
건식방법으로는 플라즈마중합(plasma polymerization), 화학증착(chemical vapor deposition, CVD), 플라즈마산화(plasma oxidation) 등의 방법이 사용된다.
도 1은 건식방법 중 하나인 플라즈마중합의 공정을 나타낸 것이다. 도 1에 나타낸 바와 같이 RF 서플라이(radio frequency supply)에서 고주파(radio frequency)를 공급하면서 플라즈마와 실리콘웨이퍼 사이에 프레온 가스와 같은 표면처리물질을 흘려주면 플라즈마에 의해 그 물질은 이온화되고, 이온화된 물질은 실리콘웨이퍼 상에 결합하면서 이온화된 물질들 간 서로 중합반응을 일으켜서 실리콘웨이퍼 표면에 막을 형성하게 된다.
이와 같이 건식방법을 사용하기 위해서는 부가적인 공정과 장비가 요구되고, 프레온가스와 같은 증기상으로 사용되는 물질의 가격이 높아 대량생산이 어려운 문제점이 있다.
상기와 같은 표면처리과정은 대부분 전체 디바이스를 완성하기 전에 각 부품별로 이루어진다. 이와 같이 각 부품별로 표면처리를 하는 경우 공정이 증가하게 되므로 제작시간이 길어지고 제조비용이 증가하므로 경제성이 낮아지는 문제점이 있다. 또한 표면처리된 각 부품들을 조립할 때 오염을 방지하기 위하여 특별한 조치가 필요하게 된다.
또한 잉크젯 프린터 헤드의 경우 잉크를 충진할 때 기포가 혼입되어 헤드의 성능이 열화되는 것을 방지하기 위하여 진공상태에서 잉크젯 프린터 헤드 내에 잉크를 충진한 후 1일 이상 방치하여 잉크젯 프린터 헤드 내부부재의 친수성을 증가시키는 방법도 사용되고 있다. 이 방법 역시 표면처리를 위하여 1일 이상 소요되므로 제작시간이 길어지는 문제점이 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 자체구성되는 물질을 이용하여 간단한 공정에 의해 유로구조를 가지는 미세 디바이스의 유체와 접촉하는 표면을 균일하고 얇고 평탄하게 개질할 수 있는 방법 및 그 표면처리물질을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 플라즈마중합의 공정을 나타낸 공정도,
도 2는 본 발명의 방법에 사용되는 장치를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 방법에 의하여 형성된 박막의 예를 나타낸 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 유체충진장치 12 : 카트리지
14 : 밸브 16 : 펌프
18 : 미세 디바이스 20 : 표면처리물질공급장치
22 : 표면처리물질용기 24 : 밸브
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 하기 화학식 1의 화학식을 가지고 R은 CH3-, CH2=CH-, HO-, CF3COO-, CH3COO- 및 CF3- 중 선택되는 유기실란 피흡수질을 알콜, 아세트산, 톨루엔 및 헥산으로 구성된 그룹에서 선택된 한 용매에 대하여 0.01-2질량%의 비로 혼합함으로써 제조되고, 실리콘산화물 또는 유리로 이루어진 미세 디바이스 부재의 표면에 결합하면서 분자들간 결합에 의해 자체구성되어 단일층의 박막을 형성하면서 미세 디바이스 부재의 표면을 개질하는 것을 특징으로 하는 미세 디바이스의 표면처리물질에 그 특징이 있다.
또한 본 발명은 화학식 2의 화학식을 가지고 R은 CH3-, CH2=CH-, HO-, CF3COO-, CH3COO- 및 CF3- 중 선택되는 유기유황 피흡수질을 알콜, 아세트산, 톨루엔 및 헥산으로 구성된 그룹에서 선택된 하나의 용매에 대하여 0.01-2질량%의 비로 혼합함으로써 제조되고, 금속으로 이루어진 미세 디바이스 부재의 표면에 결합하면서 분자들간 결합에 의해 자체구성되어 단일층의 박막을 형성하면서 미세 디바이스 부재의 표면을 개질하는 것을 특징으로 하는 미세 디바이스의 표면처리물질에 그 특징이 있다.
또한 본 발명은 유기실란 피흡수질을 알콜, 아세트산, 톨루엔 및 헥산으로 구성된 그룹에서 선택된 하나의 용매에 대하여 0.01-2질량%의 비로 혼합하여 표면처리물질을 제조하는 단계와; 제조된 표면처리물질을 유로를 통해 실리콘산화물 또는 유리로 이루어진 미세 디바이스 부재에 공급하는 단계와; 공급된 표면처리물질이 디바이스부재의 표면에 결합하면서 분자들간 결합에 의해 자체구성되어 단일층의 박막을 형성하는 단계를 포함하여 구성됨으로써 미세 디바이스 부재의 표면을 개질하는 것을 특징으로 하는 미세 디바이스의 표면처리방법에 그 특징이 있다.
또한 본 발명은 유기유황 피흡수질을 알콜, 아세트산, 톨루엔 및 헥산으로 구성된 그룹에서 선택된 하나의 용매에 대하여 0.01-2질량%의 비로 혼합하여 표면처리물질을 제조하는 단계와; 제조된 표면처리물질을 유로를 통해 금속으로 이루어진 미세 디바이스 부재에 공급하는 단계와; 공급된 표면처리물질이 디바이스부재의 표면에 결합하면서 분자들간 결합에 의해 자체구성되어 단일층의 박막을 형성하는 단계를 포함하여 구성됨으로써 미세 디바이스 부재의 표면을 개질하는 것을 특징으로 하는 미세 디바이스의 표면처리방법에 그 특징이 있다.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다.
표면처리물질로는 자체구성에 의해 단일층을 구성할 수 있는 피흡수질(absorbate)을 사용하며, 사용되는 피흡수질의 종류는 디바이스의 부재에 의해 결정된다.
디바이스의 부재가 실리콘산화물 또는 유리인 경우에는 피흡수질로 하기 화학식 1과 같은 화학식을 가지는 유기실란 피흡수질(organosilane absorbate)을 사용한다.
상기 화학식 1에서 R은 CH3, CH2=CH, HO, CF3COO, CH3COO, CF3등이 될 수 있다.
유기실란 피흡수질로는 R1이 CH3인 트리메톡시실란(trimethoxysilane), R1이 CH3CH2인 트리에톡시실란(triethoxysilane), R1이 CH3CH2CH2인 트리프로폭시실란 (tripropoxysilane), R1이 Cl인 트리클로록시실란(trichloroxysilane) 등을 사용할 수 있다.
디바이스의 부재가 금속인 경우에는 피흡수질로 하기 화학식 2와 같은 화학식을 가지는 유기유황 피흡수질(Organosulfur absorbate)을 사용한다.
상기 화학식 2에서 R은 CH3-, CH2=CH-, HO-, CF3COO-, CH3COO-, CF3- 등이 될 수 있으며, 유기유황 피흡수질 중 대표적인 물질은 R2가 H인 알켄티올(alkenthiol)이다.
디바이스에 공급되는 유체가 기체상인 경우에는 디바이스부재의 표면을 쉽게 오염되지 않는 표면으로 개질하기 위하여 발수처리하여야 하며, 디바이스부재의 표면을 발수처리하고자 하는 경우에는 R이 CH3-, CF3- 인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
또한 디바이스에 공급되는 유체가 액상인 경우에는 디바이스부재의 발수성 때문에 발생하는 기포의 생성을 줄이기 위하여 디바이스부재의 표면을 친수처리하여야 하며, 표면을 친수처리하고자 하는 경우에는 R이 HO-, CH3COO- 인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 표면처리물질은 용액상태이며, 용매와 혼합하여 사용한다. 이때용매로는 알콜, 아세트산, 또는 톨루엔이나 헥산(hexane)과 같은 유기용매를 사용할 수 있다. 알콜이나 아세트산을 용매로 사용하는 경우에는 소량의 물을 혼합하여 사용할 수 있는데, 이때 물은 촉매작용을 한다.
표면처리물질을 용매와 혼합하는 양은 용매에 대하여 0.01-2질량%의 표면처리물질을 혼합하는 것이 바람직하며, 0.05-1질량%의 표면처리물질을 혼합하는 것이 특히 바람직하다. 표면처리물질의 양이 2질량%를 초과하는 경우에는 물질들간 가교화(crosslinking)에 의해 표면에 입자들이 형성되는 문제점이 있고, 0.01질량% 미만인 경우에는 표면처리효과를 나타내지 못하고 디바이스의 표면에서 아일런드(island)를 형성한다.
표면처리물질을 적용하는 방법으로는 상기 혼합물을 유로로 흘려보내는 방법을 사용한다. 이러한 적용방법의 한 예를 도 2에 도시하고 있다.
도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 진공상태 하의 카트리지(12), 밸브(14), 펌프(16), 디바이스(18)로 구성된 일반적인 유체충진장치(10)에서, 표면처리물질공급장치(20)를 밸브(14)와 펌프(16) 사이에 튜브를 사용해 추가로 연결한다. 표면처리물질공급장치(20)는 표면처리물질이 든 표면처리물질용기(22)와 표면처리물질의 공급을 조절하는 밸브(24)로 구성된다. 표면처리물질공급장치(20)에 연결된 밸브(24)의 개폐에 의해 표면처리물질의 공급이 조절된다.
밸브(14)를 차단하여 카트리지(12)로부터의 유체의 공급을 차단하고 대신 밸브(24)를 개방하여 표면처리물질을 공급한다.
공급된 표면처리물질은 유로를 통해 흘러가면서 미세 디바이스(18) 부재의표면에 결합하면서 물질분자들간에도 결합을 하여 자체구성됨으로써 단일층의 박막을 형성한다.
표면처리물질은 한 분자길이로 균일하게 디바이스부재의 표면에 분포하게 되므로 막의 두께가 얇고 박막의 분포가 균일해진다. 또한 화학결합으로 표면에서 옆에 인접한 표면처리물질과 결합됨으로써 안정한 구조를 형성할 수 있다.
유기실란 피흡수질을 사용하여 실리콘웨이퍼 상의 실리콘산화막에 형성한 박막의 상태를 도 3에 나타내고 있다.
도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 유기실란 피흡수질분자들은 화학식 1에서의 R' 부분이 실리콘산화막의 표면에 결합하면서 인접하는 분자와 결합을 형성해서 막을 형성한다. 형성되는 막의 두께는 분자의 길이에 따라 1-3㎚로 얇게 형성되며, 표면 위에서 관찰하면 입자간의 간격이 20-30Å으로 고밀도화되어 있다.
상기와 같은 본 발명은 원하는 특성에 따라 표면처리물질을 선택함으로써 디바이스부재의 표면의 성질을 개질할 수 있으며, 표면처리물질들이 디바이스부재의 표면에 화학반응에 의해 결함하여 자체적으로 구성됨으로써 균일하고 얇고 평탄하며 미세구멍이 없는 표면을 얻을 수 있다.
또한 기존의 장치에 표면처리물질공급장치를 추가하여 표면처리물질을 흘려주기만 하면 되기 때문에 타공정보다 공정비가 감소되고 공정시간이 단축되어 공정의 간결성을 보장할 수 있다.

Claims (10)

  1. 하기 화학식을 가지고 R은 CH3-, CH2=CH-, HO-, CF3COO-, CH3COO- 및 CF3- 중 선택되는 유기실란 피흡수질을 알콜, 아세트산, 톨루엔 및 헥산으로 구성된 그룹에서 선택된 한 용매에 대하여 0.01-2질량%의 비로 혼합함으로써 제조되고,
    실리콘산화물 또는 유리로 이루어진 미세 디바이스 부재의 표면에 결합하면서 분자들간 결합에 의해 자체구성되어 단일층의 박막을 형성하면서 미세 디바이스 부재의 표면을 개질하는 것을 특징으로 하는 미세 디바이스의 표면처리물질.
  2. 제 1 항에 있어서, R1은 CH3-, CH3CH2-, CH3CH3CH2- 및 Cl- 중 선택된 것임을 특징으로 하는 미세 디바이스의 표면처리물질.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 용매가 알콜 또는 아세트산인 경우 촉매로 소량의물이 첨가된 것을 특징으로 하는 미세 디바이스의 표면처리물질.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 유기실란 피흡수질은 용매에 대하여 0.05-1질량%의 비로 혼합된 것을 특징으로 하는 미세 디바이스의 표면처리물질.
  5. 하기 화학식을 가지고 R은 CH3-, CH2=CH-, HO-, CF3COO-, CH3COO- 및 CF3- 중 선택되는 유기유황 피흡수질을 알콜, 아세트산, 톨루엔 및 헥산으로 구성된 그룹에서 선택된 하나의 용매에 대하여 0.01-2질량%의 비로 혼합함으로써 제조되고,
    금속으로 이루어진 미세 디바이스 부재의 표면에 결합하면서 분자들간 결합에 의해 자체구성되어 단일층의 박막을 형성하면서 미세 디바이스 부재의 표면을 개질하는 것을 특징으로 하는 미세 디바이스의 표면처리물질.
  6. 제 5 항에 있어서, R2는 H-인 것을 특징으로 하는 미세 디바이스의 표면처리물질.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 용매가 알콜 또는 아세트산인 경우 촉매로 소량의 물이 첨가된 것을 특징으로 하는 미세 디바이스의 표면처리물질.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 유기유황 피흡수질은 용매에 대하여 0.05-1질량%를 혼합하는 것을 특징으로 하는 미세 디바이스의 표면처리물질.
  9. 유기실란 피흡수질을 알콜, 아세트산, 톨루엔 및 헥산으로 구성된 그룹에서 선택된 하나의 용매에 대하여 0.01-2질량%의 비로 혼합하여 표면처리물질을 제조하는 단계와;
    제조된 표면처리물질을 유로를 통해 실리콘산화물 또는 유리로 이루어진 미세 디바이스 부재에 공급하는 단계와;
    공급된 표면처리물질이 디바이스부재의 표면에 결합하면서 분자들간 결합에 의해 자체구성되어 단일층의 박막을 형성하는 단계를 포함하여 구성됨으로써 미세 디바이스 부재의 표면을 개질하는 것을 특징으로 하는 미세 디바이스의 표면처리방법.
  10. 유기유황 피흡수질을 알콜, 아세트산, 톨루엔 및 헥산으로 구성된 그룹에서 선택된 하나의 용매에 대하여 0.01-2질량%의 비로 혼합하여 표면처리물질을 제조하는 단계와;
    제조된 표면처리물질을 유로를 통해 금속으로 이루어진 미세 디바이스 부재에 공급하는 단계와;
    공급된 표면처리물질이 디바이스부재의 표면에 결합하면서 분자들간 결합에 의해 자체구성되어 단일층의 박막을 형성하는 단계를 포함하여 구성됨으로써 미세 디바이스 부재의 표면을 개질하는 것을 특징으로 하는 미세 디바이스의 표면처리방법.
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