KR20050072332A - 피디엠에스 몰드를 이용한 초고온 초소형전자기계시스템용 실리콘 카본 나이트라이드 미세구조물제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 PDMS(Polydimethylsiloxane) 몰드(Mold)를 사용하여 초소형 전자기계 시스템(MEMS : Micro Electro Mechanical System)분야에서 1400℃ 이상의 초고온에서도 사용가능한 실리콘 카본 나이트라이드(SiCN : Silicon Carbon- Nitride) 미세구조물 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, SU-8 몰드를 제조하는 과정; PDMS 액체내에 경화제를 첨가한 후 교반하는 과정; SU-8 몰드를 아크릴 몰드내에 넣은 후 상기 PDMS 몰드를 제조하는 과정; 액체 고분자내에 광개시제를 첨가하여 교반한 후, 상기 PDMS 몰드내부로 상기 액체 고분자를 주입하는 과정; 액체 고분자를 이용하여 고체화시키는 과정; 고체화된 고분자를 HIP 장치를 이용하여 가교시키는 과정; 가교된 고체 고분자를 HIP 장치를 이용하여 열분해하는 과정; 및 제조된 무정형 세라믹 실리콘 카본 나이트라이드를 HIP 장치를 이용하여 열처리하는 과정으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명은 공정이 간단한 자외선 리소그라피법으로 제조가 가능하기 때문에 실리콘에 비하여 저가로 대량생산이 가능하고, 열처리공정을 통해 전기적 성질을 나타내는 무정형세라믹 실리콘 카본 나이트라이드의 제조가 가능하기 때문에 실리콘을 기반으로 하는 초소형 전자기계 시스템을 대체할 수 있으며, 각종 고온 및 고전력용 소자로 유용하게 응용할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 PDMS(Polydimethylsiloxane) 몰드(Mold)를 사용하여 초고온 초소형 전자기계 시스템(MEMS : Micro Electro Mechanical System)용 실리콘 카본 나이트라이드(SiCN : Silicon Carbon-Nitride) 미세구조물 제조방법에 관한 것으로 특히, 1400℃ 이상의 초고온에서도 사용가능한 실리콘 카본 나이트라이드 미세구조물 제조방법에 관한 것이다.
최근에 전자소자와 기계부품 그리고 신호처리용 마이크로프로세서까지 집적화된 초소형 전자기계 시스템은 실리콘(Si) 마이크로머시닝(Micromachining)기술을 기반으로 발전을 거듭하여 왔으며 정보화 사회에 필요한 고정밀도 대용량 기록장치, 자동차 및 항공, 초고속정보통신, 바이오 그리고 환경 산업 등 여러 가지 분야에 응용되고 있다.
특히, 초고온에서 우수한 물성을 가지는 초소형 전자기계 시스템은 자동차, 조선 그리고 항공기 엔진 제어용 메카니컬 센서와 발전소 전력 제어용 고용량 소자 등 넓은 응용 분야에서 사용이 가능하며, 고전력 스위치나 이동전화 통신 및 고화질 텔레비전(HDTV: High Definition TeleVision)용 고전력, 고주파수 소자에 응용이 가능하다.
초고온에서 우수한 물성을 가지는 초소형 전자기계 시스템을 연구개발하기 위한 마이크로센서 혹은 마이크로액추에이터를 제작하기 위해서는 1400℃ 이상의 초고온에서도 우수한 기계적 특성을 나타내며 가공이 용이하여 대량생산이 가능하고, 실리콘에 비하여 가격이 저렴한 액체 고분자를 전구체(Precursor)로 사용하여 제조된 무정형 세라믹의 실리콘 카본 나이트라이드를 이용하는 것이 가장 적합한 기술로 전망되고 있다.
실리콘 마이크로머시닝 기술을 바탕으로 제조된 초소형 전자기계 시스템은 1.1 eV(Electron Volt)의 낮은 에너지 차이 때문에 약 100℃ 이상으로 온도가 상승하면 PN접합의 누설전류로 인한 시스템의 특성 상실과 기계적 물성의 감소로 고온에서는 사용할 수 없는 단점이 있다.
현재는 500℃ 이상의 고온에서도 사용가능한 초소형 전자기계 시스템의 재료로써 화학기상증착법(CVD method: Chemical Vapor Deposition)에 의한 실리콘 카바이드(SiC: Silicon Carbide) 등의 화합물 반도체가 개발중이나, 결정성장중 실리콘과 성장물질간의 격자부정합으로 인하여 많은 결정결함이 존재하기 때문에 박막의 질과 제조된 초소형 전자기계 시스템의 성능이 떨어지고, 또한 열팽창계수의 차로 인한 큰 잔류응력때문에 큰 면적의 결정성장이 대단히 어려운 문제점이 있다.
또한, 화학기상증착법으로 제조된 실리콘 카바이드의 경우, 평면적인 성질때문에 복잡한 3차원 구조의 초소형 전자기계 시스템을 제작하기 어려우며, 그 크기와 가격의 문제로 인하여 대량생산에 큰 제약을 받고 있다.
최근에는, 실리콘 카본 나이트라이드 미세구조물을 광중합을 이용하여 초소형 전자기계 시스템을 제조하는 방법이 연구되고 있으나, 생성된 실리콘 카본 나이트라이드 미세구조물의 벽이 수직이 아닌 경사각을 가진다는 문제점이 있다.
또한 광중합 후, 고분자 구조물을 실리콘 기판으로부터 제거할 때 응력 발생 등 구조의 안정성에 문제가 발생하는 단점이 있다.
따라서, SU-8 몰드를 이용한 마이크로 캐스팅(Micro Casting)법을 이용하여 실리콘 카본 나이트라이드 미세구조물을 제조하는 방법이 연구되고 있다. 마이크로 캐스팅법은 SU-8 몰드를 제조한 후, SU-8 몰드와 액체 고분자 사이의 반응을 방지하기 위하여 SU-8 몰드 내부에 테프론 코팅(Teflon Coating)을 이용하고 있으나, 초소형 크기의 SU-8 몰드 내부에 테프론 코팅은 습식 또는 건식 코팅 공정과정에 서 기술적으로 많은 문제가 있으며,또한 한번 사용한 몰드는 재사용이 불가능하다는 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 화학적으로 안정적이고 공정이 간단하며 반영구적으로 재사용이 가능하며, 초고온 초소형 전자기계 시스템에 응용하기 위하여 PDMS 몰드를 이용하여 1400℃ 이상의 초고온에서도 가공이 용이하며, 저가의 무정형 세라믹 실리콘 카본 나이트라이드 미세구조물을 제조하는 방법을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 관점에 따른 PDMS 몰드를 이용한 초고온 초소형 전자기계 시스템용 실리콘 카본 나이트라이드 미세구조물 제조방법은,
SU-8 몰드를 제조하는 a)과정; PDMS 액체내에 경화제를 첨가한 후 교반하는 b)과정; SU-8 몰드를 아크릴 몰드내에 넣은 후 상기 PDMS 몰드를 제조하는 c)과정; 액체 고분자내에 광개시제를 첨가하여 교반한 후, 상기 PDMS 몰드내부로 상기 액체 고분자를 주입하는 d)과정; 상기 액체 고분자를 이용하여 고체화시키는 e)과정; 상기 고체화된 고분자를 HIP 장치를 이용하여 가교시키는 f)과정; 상기 가교된 고체 고분자를 HIP(Hot Isostatic Pressing; 열간등방압 가압성형; 이하 HIP이라 함)장치를 이용하여 열분해하는 g)과정; 및 상기 단계를 거쳐 제조된 무정형 세라믹 실리콘 카본 나이트라이드를 HIP 장치를 이용하여 열처리하는 g)과정으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 b)과정의 PDMS 액체내에 경화제를 10:1의 비율로 첨가하는 것을 특징으로 하고, 상기 c)과정의 액체 고분자는 폴리실라젠(polysilazane) 또는 폴리우레아실라젠 (polyureasilazane)을 사용하며, 광개시제 2,2-디메톡시-2-페닐 아세토페논(2,2-dimethoxy-2-phenyl acetophenone)을 5wt%의 비율로 첨가하여 제조되는 것을 특징으로 하며, 상기 e)과정은 자외선 리소그라피법을 이용하는 것을 특징으로 하고, 상기 자외선 리소그라피법은 테프론 코팅된 포토마스크를 상기 액체고분자가 주입된 PDMS 몰드에 부착시킨 후, 33.4 ㎽/㎠의 세기로 20∼30분간 자외선 노광시키는 것을 특징으로 하며, 상기 f)과정은 고체화된 고분자를 HIP 장치 내부에서 400℃의 온도로 1시간 동안 가교시키는 것을 특징으로 하고, 상기 h)과정은 열분해된 무정형 세라믹 실리콘 카본 나이트라이드를 HIP 장치 내부에서 1400℃의 온도로 5시간 동안 열처리하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 PDMS 몰드를 이용한 실리콘 카본 나이트라이드 미세구조물 제조공정을 나타낸 플로우챠트이다.
본 발명에서 사용된 액체 고분자 전구체는 폴리실라젠(polysilazane) 또는 폴리우레아실라젠(polyureasilazane)이며, 광개시제는 2,2-디메톡시-2-페닐 아세토페논(2,2-dimethoxy-2-phenyl acetophenone)을 5wt%첨가한 후, 액체 고분자와 혼합하여 PDMS 몰드내부에 주입하며, 자외선 리소그라피 공정을 거쳐 고체 고분자를 제조한 뒤, 가교공정, 열분해 공정, 열처리 공정을 하여 무정형 세라믹 실리콘 카본 나이트라이드 미세구조물을 제조한다.
이를 위해, S101단계로 진입하여 실리콘 기판(200)의 상부에 SU-8(201)을 스핀코터(spin coater)를 이용하여 300 ㎛의 두께로 도포한 후, 65℃에서 5분간 95℃에서 70분간 소프트베이크(soft-bake)하고 33.4 ㎽/㎠의 세기(intensity)로 700초간 자외선 노광(exposure)하며, 65℃에서 5분간 95℃에서 20분간 열처리(PEB; Post Expose Bake)를 한다. 그리고 PGMEA(Propylene Glycol Monomethyl Ether Acetate)를 사용하여 40분간 현상한 후, 이소프로필 알콜(IPA : Isopropyl Alcohol)을 이용하여 세척한 후, 질소(N2)가스를 사용하여 건조하며, 150~200℃에서 20분간 하드베이크(hard-bake)하여 SU-8 몰드를 제조한다.
S103 단계에서는 상기 SU-8 몰드를 아크릴(acrylic) 몰드(203)내에 위치시키고, PDMS 용액(205)을 PDMS경화제와 10:1의 비율로 혼합한 후, 교반효과를 위해 마그네틱 스티어바(magnetic stir-bar)를 사용하여 30분간 혼합한다.
이후, S105 단계로 상기 아크릴 몰드내에 위치한 SU-8 몰드 상부에 스핀코터를 이용하여 도포하고 PDMS 용액 내부의 기포를 제거하기 위하여 진공 챔버(vacuum chamber)에서 10-6 토르(torr)로 40분간 기포를 제거한 후 70℃의 온도로 1시간동안 열처리를 하여 PDMS 몰드를 제조한다.
S107단계에서는 액체 고분자내에 광개시제를 5wt%로 첨가한 후, 교반효과를 위해 마그네틱 스티어바를 사용하여 혼합한 후, 상기 PDMS 몰드내부에 광개시제가 첨가된 액체 고분자(207)를 주입한다.
다음으로, S109단계는 테프론 코팅(teflon coating)된 포토마스크(photo mask)(209)를 상기 액체 고분자가 주입된 PDMS 몰드에 부착시키고, 33.4 ㎽/㎠의 세기로 20∼30분간 자외선 노광하여 고체 고분자를 제조한다.
S111단계는 상기 고체 고분자는 흑연(graphite)(211)판 사이에 위치시킨 후, HIP 장치에서 10℃/min 이하의 가열속도로 400℃까지 열을 가한 뒤 3000 psi의 압력으로 400℃에서 1시간동안 가교시킨다.
S113단계로, HIP 챔버내부에 질소가스를 몇 시간 동안 흘려 넣은 뒤 가교된 고분자를 흑연판 사이에 위치시킨 후, 200 psi의 압력에서 4℃/min의 가열속도로 1000℃까지 열을 가하여 1000℃에서 4시간동안 질소가스를 100 ㎖/min의 유량속도로 계속 주입하여 열분해공정을 거친다.
마지막 S115단계로, 상기의 열분해 공정에 의해 고체 고분자는 무정형 세라믹의 실리콘 카본 나이트라이드로 전환된다. 그리고 상기 제조된 무정형 세라믹 실리콘 카본 나이트라이드는 HIP 장치를 사용하여 6.7℃/min의 가열속도로 열을 가하여 1400℃에서 5시간동안 순수한 질소를 100 ㎖/min의 유량속도로 계속 주입하여 열처리 공정을 한다.
도 2a 내지 도 2h는 도1의 각 공정을 설명하기 위한 실리콘 카본 나이트라이드 미세구조물 제조공정 단면도이다.
도 2a는 실리콘 기판(200)의 상부에 SU-8(201)을 스핀코터(spin coater)를 이용하여 도포한 후, 소프트베이크(soft-bake)하고 자외선 노광(exposure)하며, 열처리(FEB; Post Expose Bake)를 한다.
도 2b는 상기 SU-8을 PGMEA(Propylene Glycol Monomethyl Ether Acetate)를 사용하여 현상한후, 이소프로필 알콜(IPA; Isopropyl Alcohol)을 이용하여 세척 후, 질소(N2)가스를 사용하여 건조하며, 하드베이크(hard-bake)하여 SU-8 몰드를 제조한다.
도 2c는 상기 SU-8 몰드를 아크릴(acrylic) 몰드(203)내에 위치시키고 PDMS 용액(205)을 PDMS경화제와 10:1의 비율로 혼합한 후, 상기 아크릴 몰드내에 위치한 SU--8 몰드 상부에 스핀코터를 이용하여 도포하고 진공 챔버(vacuum chamber)에서 기포를 제거한 후 열처리를 하여 PDMS 몰드를 제조한다.
도 2d는 상기의 제조공정에 의해 제조된 PDMS 몰드이다.
도 2e는 액체 고분자내에 광개시제를 5wt%로 첨가하여 혼합한 후, 상기 PDMS 몰드내부에 광개시제가 첨가된 액체 고분자(207)를 주입한다.
도 2f는 테프론 코팅(teflon coating)된 포토마스크(photo mask)(209)를 상기 액체 고분자가 주입된 PDMS 몰드에 부착시키고, 자외선 노광한다.
도 2g는 상기의 자외선 노광에 의해 제조된 고체 고분자(208)이다.
도 2h는 상기의 방법으로 제조된 고체 고분자는 흑연(graphite)(211)판 사이에 위치시킨 후, HIP 장치에서 가교 공정, 열분해 공정, 열처리 공정에 의해 고체 고분자는 무정형 세라믹의 실리콘 카본 나이트라이드로 전화된다.
도 3a 내지 도 3b는 본 발명에 의해 제조된 SU-8 몰드의 사진이며, 가로 30 ㎛, 세로 300 ㎛크기의 종횡비 10의 마이크로 채널(micro channel)의 SU-8 몰드의 단면도 현미경 사진이다.
자외선 리소그라피법에 의해 제조된 마이크로 채널의 SU-8 몰드의 측벽 및 표면은 매우 우수한 평탄도를 나타냄을 알 수 있다. 또한, 고종횡비의 SU-8 몰드의 제작이 가능하기 때문에 고종횡비의 무정형 세라믹 실리콘 카본 나이트라이드를 제조가 가능하다.
도 3b는 가로 2.5 mm, 세로 1.8 mm, 두께 300 ㎛크기의 멤브레인(membrane)의 SU-8 몰드의 현미경 사진이다.
자외선 리소그라피법에 의해 제조된 메브레인의 SU-8 몰드의 표면이 매우 우수한 평탄도를 나타내는 것을 알 수 있다. 우수한 평탄도의 무정형 세라믹 실리콘 카본 나이트라이드 멤브레인의 제조가 가능하다.
도 4는 상기 SU-8 몰드에 의해 제조된 멤브레인의 PDMS 몰드의 현미경 사진이며, 가로 2.5 mm, 세로 1.8 mm, 두께 300 ㎛크기를 갖는다.
SU-8 몰드에 의해 제조된 PDMS 몰드는 SU-8 몰드와 동일한 형상으로 정확한 크기와 모양의 모사가 가능함을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 PDMS 몰드를 이용하여 제조된 실리콘 카본 나이트라이드 멤브레인의 현미경 사진이다.
제조된 PDMS 몰드를 사용하여 자외선 리소그라피법으로 제조하였으며, 멤브레인의 크기는 가로 2.5 mm, 세로 1.8 mm, 두께 300 ㎛로 제작할 수 있다.
따라서, 본 발명에서 제안한 PDMS 몰드를 이용하여 초고온 초소형 전자기계 시스템용 실리콘 카본 나이트라이드 미세구조물 제조가 가능함을 확인할 수 있었다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 PDMS 몰드를 이용한 초고온 초소형 전자기계 시스템용 실리콘 카본 나이트라이드 미세구조물 제조방법을 위한 실시예에 불과한 것으로, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 PDMS 몰드를 이용하여 초고온 초소형 전자기계 시스템용 실리콘 카본 나이트라이드 미세구조물을 제조하기 위해 자외선 리소그라피법을 이용하여 SU-8 몰드를 제조한 후, 상기 제조된 SU-8 몰드를 사용하여 PDMS 몰드를 제조하였으며, 다양한 크기와 형태의 SU-8 몰드 및 PDMS 몰드의 제조가 가능함에 따라 다양한 크기와 형태의 실리콘 카본 나이트라이드 미세구조물을 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에서 액체 고분자를 전구체로 이용하면, 공정이 간단한 자외선 리소그라피법으로 제조가 가능하기 때문에 실리콘에 비하여 저가로 대량생산이 가능하고, 열처리공정을 통해 전기적 성질을 나타내는 무정형 세라믹 실리콘 카본 나이트라이드의 제조가 가능하기 때문에 실리콘을 기반으로 하는 초소형 전자기계 시스템을 대체할 수 있으며, 각종 고온 및 고전력용 소자로 유용하게 응용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 PDMS 몰드를 이용한 실리콘 카본 나이트라이드 미세구조물 제조공정을 나타낸 플로우챠트.
도 2a 내지 도 2h는 본 발명의 실시 예에 따른 PDMS 몰드를 이용한 실리콘 카본 나이트라이드 미세구조물의 제조공정 단면도.
도 3a 내지 도 3b는 자외선 포토리소그라피법으로 제조된 SU-8 몰드의 현미경 사진.
도 4은 SU-8 몰드를 이용하여 제조된 PDMS 몰드의 현미경 사진.
도 5는 PDMS 몰드를 이용하여 제조된 실리콘 카본 나이트라이드 미세구조물의 현미경 사진.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
200 : 실리콘 핸들링기판 201 : SU-8
203 : 아크릴 몰드 205 : PDMS(Polydimethylsiloxane)
207 : 액체 고분자 전구체 208 : 고체 고분자
209 : 테프론 코팅된 포토마스크 211 : 흑연판
Claims (8)
- PDMS 몰드를 이용한 초고온 초소형 전자기계 시스템용 실리콘 카본 나이트라이드 미세구조물을 제조하는 방법에 있어서,a) SU-8 몰드를 자외선 리소그라피공정을 이용하여 제조하는 과정;b) PDMS 액체내에 경화제를 첨가한 후 교반하는 과정;c) SU-8 몰드를 아크릴 몰드내에 넣은 후 상기 PDMS 몰드를 제조하는 과정;d) 액체 고분자내에 광개시제를 첨가하여 교반한 후, 상기 PDMS 몰드내부로 상기 액체 고분자를 주입하는 과정;e) 상기 액체 고분자를 이용하여 고체화시키는 과정;f) 상기 고체화된 고분자를 HIP 장치를 이용하여 가교시키는 과정;g) 상기 가교된 고체 고분자를 HIP 장치를 이용하여 열분해하는 과정 및h) 상기 g)단계를 거쳐 제조된 무정형 세라믹 실리콘 카본 나이트라이드를 HIP 장치를 이용하여 열처리하는 과정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 PDMS 몰드를 이용한 초고온 초소형 전자기계 시스템용 실리콘 카본 나이트라이드 미세구조물 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 b)과정은 PDMS 액체내에 경화제를 10:1의 비율로 첨가하는 것을 특징으로 하는 PDMS 몰드를 이용한 초고온 초소형 전자기계 시스템용 실리콘 카본 나이트라이드 미세구조물 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 d)과정의 액체 고분자는 폴리실라젠(polysilazane) 또는 폴리우레아실라젠 (polyureasilazane)을 사용하며, 광개시제 2,2-디메톡시-2-페닐 아세토페논(2,2-dimethoxy-2-phenyl acetophenone)을 5wt%의 비율로 첨가하여 제조되는 것을 특징으로 하는 PDMS 몰드를 이용한 초고온 초소형 전자기계 시스템용 실리콘 카본 나이트라이드 미세구조물 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 e)과정은 자외선 리소그라피법을 이용하는 것을 특징으로 하는 PDMS 몰드를 이용한 초고온 초소형 전자기계 시스템용 실리콘 카본 나이트라이드 미세구조물 제조방법.
- 제 4항에 있어서, 상기 자외선 리소그라피법은 테프론 코팅된 포토마스크를 상기 액체고분자가 주입된 PDMS 몰드에 부착시킨 후, 33.4 ㎽/㎠의 세기로 20∼30분간 자외선 노광하는 것을 특징으로 하는 PDMS 몰드를 이용한 초고온 초소형 전자기계 시스템용 실리콘 카본 나이트라이드 미세구조물 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 f)과정은상기 고체화된 고분자를 HIP 장치 내부에서 400℃의 온도로 1시간동안 가교하는 것을 특징으로 하는 PDMS 몰드를 이용한 초고온 초소형 전자기계 시스템용 실리콘 카본 나이트라이드 미세구조물 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 g)과정은상기 가교된 고분자를 HIP 장치 내부에서 1000℃의 온도로 4시간동안 열분해하는 것을 특징으로 하는 PDMS 몰드를 이용한 초고온 초소형 전자기계 시스템용 실리콘 카본 나이트라이드 미세구조물 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 h)과정은상기 열분해된 무정형 세라믹 실리콘 카본 나이트라이드를 HIP 장치 내부에서 1400℃의 온도로 5시간동안 열처리하는 것을 특징으로 하는 PDMS 몰드를 이용한 초고온 초소형 전자기계 시스템용 실리콘 카본 나이트라이드 미세구조물 제조방법.
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